Всякий водоем или водный источник связан с окружающей его внешней средой.
На него оказывают влияние:
- условия формирования поверхностного или подземного водного стока;
- разнообразные природные явления;
- индустрия;
- промышленное и коммунальное строительство;
- транспорт;
- хозяйственная и бытовая деятельность человека.
Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ – загрязнителей, ухудшающих качество воды.
Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по-разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Так, обычно выделяют химическое, биологическое и физическое загрязнения.
Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств вода за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической, так и органической природы.
Во-первых, это неорганические химические вещества. Основными неорганическими (минеральными) загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды. Это соединения мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома, меди, фтора. Большинство из них попадает в воду в результате человеческой деятельности. Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам.
Во-вторых, это органические химические соединения в растворимом состоянии.
Среди вносимых в океан с суши растворимых веществ, большое значение для обитателей водной среды имеют органические остатки.
Вынос в океан органического вещества оценивается в 300…380 млн.т./год.
Сточные воды, содержащие суспензии органического происхождения или растворенное органическое вещество, пагубно влияют на состояние водоемов. Осаждаясь, суспензии заливают дно и задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность донных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. При гниении донных осадков могут образовываться вредные соединения и отравляющие вещества, такие как сероводород, которые приводят к загрязнению всей воды в реке.
Наличие суспензий затрудняют также проникновение света в глубь воды и замедляет процессы фотосинтеза. Одним из основных санитарных требований, предъявляемых к качеству воды, является содержание в ней необходимого количества кислорода. Вредное действие оказывают все загрязнения, которые так или иначе содействуют снижению содержания кислорода в воде. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) – жиры, масла, смазочные материалы – образуют на поверхности воды пленку, которая препятствует газообмену между водой и атмосферой, что снижает степень насыщенности воды кислородом. Значительный объем органических веществ, большинство из которых не свойственно природным водам, сбрасывается в реки вместе с промышленными и бытовыми стоками. Нарастающее загрязнение водоемов и водостоков наблюдается во всех промышленных странах.
В связи с быстрыми темпами урбанизации и несколько замедленным строительством очистных сооружений или их неудовлетворительной эксплуатацией водные бассейны и почва загрязняются бытовыми отходами. Особенно ощутимо загрязнение в водоемах с замедленным течением или непроточных (водохранилища, озера).
Разлагаясь в водной среде, органические отходы могут стать средой для патогенных организмов. Вода, загрязненная органическими отходами, становится практически непригодной для питья и других надобностей.
Биологическое загрязнение связано с присутствием в питьевой воде биологических примесей, то есть микроорганизмов, вызывающих заболевания.
Бытовые жидкие отходы опасны не только тем, что являются источником некоторых болезней человека (брюшной тиф, дизентерия, холера), но и тем, что требуют для своего разложения много кислорода. Если бытовые сточные воды поступают в водоем в очень больших количествах, то содержание растворимого кислорода может понизиться ниже уровня, необходимого для жизни морских и пресноводных организмов.
В начале нашего столетия был сделан существенный шаг вперед в повышении качества очистки воды путем хлорирования. Благодаря хлорированию воды и пастеризации молока стало возможным резкое снижение смертности при заболевании брюшным тифом.
Физическое загрязнение – это присутствующие в воде нерастворимые частицы различного происхождения.
Важное значение имеет загрязнение гидросферы нефтепродуктами. Благодаря своим физико-химическим свойствам, нефтепродукты быстро распространяются по поверхности воды, образуя тончайшие пленки толщиной до долей миллиметра, сохраняющие, особенно на спокойной поверхности, высокую устойчивость.
Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуоресценцией.
Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифатических и ароматических углеводородов. Основные компоненты нефти – углеводороды (до 98 %) - подразделяются на 4 класса:
а) парафины (алкены) – (до 90 % от общего состава) – устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.
б) циклопарафины (30…60 % от общего состава) – насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.
в) ароматические углеводороды – (20…40 % от общего состава) – ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца (бензол, толуол, ксилол), затем бициклические (нафталин), полициклические (пирен).
г) олефины (алкены) – (до 10 % от общего состава) – ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.
Среди источников, из которых нефть активно попадает в гидросферу необходимо назвать:
- транспортировка из районов добычи;
- аварийные ситуации на нефтеналивном транспорте;
- слив за борт танкерами промывочных и балластных вод;
- потери при добычи из морских скважин (за последние 30 лет, начиная с 1964 года, пробурено около 2000 скважин в Мировом океане, из них только в Северном море 1000);
- большие массы нефти поступают в моря по рекам, с бытовыми и ливневыми
Стоками.
Попадая в морскую среду, нефть:
а) сначала растекается в виде пленки, образуя слои различной толщины и изменяет состав спектра и интенсивность проникновения в воду света;
б) смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов:
- прямую "нефть в воде", составленную капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивую и характерную для нефти, содержащую поверхностно-активные вещества;
- обратную "вода в нефти", которая может сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно.
Детергенты (синтетические поверхностно-активные вещества – СПАВ) относятся к группе веществ, понижающих поверхностное натяжение воды. Они входят в состав синтетических моющих средств (СМС), широко применяемых в быту и промышленности.
Вместе со сточными водами СПАВ попадают в материковые воды и морскую среду. СМС содержат:
- полифосфаты натрия, в которых растворены детергенты;
- ряд добавочных ингредиентов, токсичных для водных организмов: ароматизирующие вещества, отбеливающие реагенты (персульфаты, пербораты), кальцинированная сода, карбоксиметилцеллюлоза, силикаты натрия.
В зависимости от природы и структуры гидрофильной части молекулы СПАВ делятся на:
- анионактивные;
- катионоактивные;
- амфотерные;
- неионогенные.
Последние не образуют ионов в воде. Наиболее распространенными среди СПАВ являются анионактивные вещества. На их долю приходится более 15 % всех производимых в мире СПАВ.
Присутствие СПАВ в сточных водах промышленности связано с использованием их в таких процессах, как:
- флотационное обогащение руд;
- разделение продуктов химических технологий;
- получение полимеров;
- улучшение условий бурения нефтяных и газовых скважин;
- борьба с коррозией оборудования;
- в сельском хозяйстве СПАВ применяется в составе пестицидов.
Канцерогенные вещества – это химически однородные соединения, проявляющие трансформирующую активность и способность вызывать канцерогенные, тератогенные (нарушение процессов эмбрионального развития) или мутагенные изменения в организме.
В зависимости от условий воздействия они могут приводить:
- к ингибированию роста;
- ускорению старения;
- нарушению индивидуального развития и изменению генофонда организмов.
К веществам, обладающим канцерогенными свойствами, относятся:
- хлорированные алифатические углеводороды;
- винилхлорид;
- полициклические ароматические углеводороды (ПАУ).
Максимальное количество ПАУ в современных донных осадках Мирового океана (более 100 мкг/кг массы сухого вещества) обнаружено в тектонически активных зонах, подверженным глубинному термическому воздействию.
Основные антропогенные источники ПАУ в окружающей среде – это пиролиз органических веществ при сжигании различных материалов, древесины и топлива.
Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных веществ. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание соединений тяжелых металлов в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу.
Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий. Ртуть пере-носится в океан с материковым стоком и через атмосферу. При выветривании осадочных и изверженных пород ежегодно выделяется 3,5 тыс.т. ртути. В составе атмосферной пыли содержится около 12 тыс.т. ртути, причем значительная часть - антропогенного происхождения. Около половины годового промышленного производства этого металла (910 тыс.т./год) различными путями попадает в океан. В районах, загрязняемых промышленными водами, концентрация ртути в растворе и взвесях сильно повышается. При этом некоторые бактерии переводят хлориды в высокотоксичную метилртуть.
Свинец – рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах.
Наконец, свинец активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Миграционный поток свинца с континента в океан идет не только с речными стоками, но и через атмосферу. С континентальной пылью океан получает (20…30). 10 3 т. свинца в год.
Многие страны, имеющие выход к морю, проводят захоронение различных материалов и веществ, в частности, грунта, вынутого при дноуглубительных работах, бурового шлама, отходов промышленности, строительного мусора, твердых отходов, взрывчатых и химических веществ, радиоактивных отходов. Объем захоронений составил около 10 % от всей массы загрязняющих веществ, поступающих в Мировой океан.
В шлаках промышленных производств присутствуют разнообразные органические вещества и соединения тяжелых металлов. Во время сброса при прохождении материала сквозь столб воды, часть загрязняющих веществ переходит в раствор, изменяя качество воды, другая сорбируется частицами взвеси и переходит в донные отложения. Одновременно повышается мутность воды. Наличие органических веществ часто приводит к быстрому расходованию кислорода в воде и нередко к его полному исчезновению, растворению взвесей, накоплению металлов в растворенной форме, появлению сероводорода. Присутствие большого количества органических веществ создает в грунтах устойчивую восстановительную среду, в которой возникает особый тип иловых вод, содержащих сероводород, аммиак, ионы металлов.
В случае образования поверхностных пленок, содержащих нефтяные углеводороды и СПАВ, нарушается газообмен на границе воздух – вода. Загрязняющие вещества, поступающие в раствор, могут аккумулироваться в тканях и органах гидробионтов и оказывать токсическое воздействие на них.
Тепловое загрязнение поверхности водоемов и прибрежных морских акваторий возникает в результате сброса нагретых сточных вод электростанциями и другими промышленными производствами. Сброс нагретых вод во многих случаях обуславливает повышение температуры воды в водоемах на 6…8 оС. Площадь пятен нагретых вод в прибрежных районах достигает 30 кв.км. Более устойчивая температурная стратификация препятствует водообмену между поверхностным и донным слоем. Растворимость кислорода уменьшается, а потребление его возрастает, поскольку с ростом температуры усиливается активность аэробных бактерий, разлагающих органическое вещество. Усиливается видовое разнообразие фитопланктона и всей флоры водорослей.
Одним из главных источников загрязнения водоемов являются промышленные сточные воды. Наиболее опасные загрязнители воды – это соли тяжелых металлов, фенолы, органические яды, нефтепродукты, насыщенная бактериями биогенная органика, синтетические моющие средства.
Анализ сточных вод, образующихся на современных предприятиях, показал, что в сбрасываемых в водоемы водах содержатся в основном продукты, которые не относятся к категории сильнотоксичных: хлориды, сульфаты, нитраты и фосфаты натрия, калия, кальция, аммония, магния, железа, меди, органические продукты, взвешенные вещества, масла, нефтепродукты, отходы древесины, зола, отходы рудообогащения и т.д.
Однако от ряда производств, таких как производство хлора и каустика, минеральных удобрений, полимерных материалов, химических волокон, красителей, коксохимическое производство, целлюлозно-бумажные предприятия, энергетические предприятия и др., в водоемы вместе со стоками поступают соединения ртути, фтора, мышьяка, селена, хрома, никеля, меди, кадмия, циана, а также кислоты, щелочи, фенолы, метанол и другие вещества, содержание которых в воде строго лимитировано.
Свойства сточных вод
Сточные воды, отводимые с территории промышленных предприятий, по своему составу могут быть разделены на три вида:
1) производственные – использованные в технологическом процессе производства или получающиеся при добыче полезных ископаемых (угля, нефти, руд и т. п.);
2) бытовые – от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, а также от душевых установок, имеющихся на территории промышленных предприятий;
3) атмосферные – дождевые и от таяния снега.
Производственные сточные воды делятся на две основные категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые).
Загрязненные производственные сточные воды содержат различные примеси и подразделяются на три группы:
1) загрязненные преимущественно минеральными примесями (предприятия ме таллургической, машиностроительной, рудо- и угледобывающей промышленности; заводы по производству минеральных удобрений, кислот, строительных изделий и материалов и др.);
2) загрязненные преимущественно органическими примесями (предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, химической, микробиологической промышленности; заводы по производству пластмасс, каучука и др.);
3) загрязненные минеральными и органическими примесями (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности; заводы по производству консервов, сахара, продуктов органического синтеза, бумаги, витаминов и др.).
По концентрации загрязняющих веществ производственные сточные воды разделяются на четыре группы: 1…500, 500…5000, 5000…30000, более 30 000 мг/л.
Производственные сточные воды могут различаться по физическим свойствам загрязняющих их органических продуктов (например, по температуре кипения: менее 120, 120…250 и более 250 °С).
По степени агрессивности эти воды разделяют на слабоагрессивные (слабокислые с рН = 6…6,5 и слабощелочные с рН = 8…9), сильноагрессивные (сильнокислые с рН < 6 и сильнощелочные с рН > 9) и неагрессивные (с рН = 6,5…8).
Незагрязненные производственные сточные воды поступают от холодильных, компрессорных, теплообменных аппаратов. Кроме того, они образуются при охлаждении основного производственного оборудования и продуктов производства.
Сточные воды представляют собой полидисперсные гетерогенные (неоднородные) агрегативно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность, форма частиц, а также физические свойства частиц системы изменяются.
Свойства сточных вод отличаются от свойств чистой воды. Они имеют более высокую плотность и вязкость.
На различных предприятиях, даже при одинаковых технологических процессах, состав производственных сточных вод, режим водоотведения и удельный расход на единицу выпускаемой продукции весьма разнообразны.
Большое, значение в формировании состава производственных сточных вод имеет вид перерабатываемого сырья. Так, например, основным загрязняющим компонентом сточных вод на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях является нефть; на рудо-обогатительных фабриках – руда; на мясокомбинатах – отходы мяса, не переваренная пища животных; на бумажных фабриках – целлюлозные волокна; на фабриках первичной обработки шерстя – жир, шерсть и т. д. Состав сточных вод зависит также от технологического процесса производства, применяемых компонентов, промежуточных изделий и продуктов, выпускаемой продукции, состава исходной свежей воды, местных условий и др.
Для разработки рациональной схемы водоотведения и оценки возможности повторного использования производственных сточных вод изучается их состав и режим водоотведения. При этом анализируются физико-химические показатели сточных вод и режим поступления в канализационную сеть не только общего стока промышленного предприятия, но и сточных вод от отдельных цехов, а при необходимости от отдельных аппаратов.
В анализируемых сточных водах должны определяться: содержание компонентов, специфичных для данного вида производства (фенолов, нефтепродуктов, поверхностно-активных, ядовитых, радиоактивных, взрывоопасных веществ); общее количество органических веществ; активная реакция; интенсивность окраски; степень минерализации. Необходимо установить такие параметры, как кинетика оседания или всплывания механических примесей и их объем, возможность коагулирования сточных вод и др.
Эти данные позволяют выбрать наиболее целесообразный и экономически обоснованный метод очистки сточных вод для определенного предприятия.
Физико-химические показатели производственных сточных вод отдельных предприятий свидетельствуют о широком диапазоне колебаний состава этих вод, что вызывает необходимость тщательного обоснования выбора оптимального метода очистки для каждого вида этих вод.
Необходимая степень очистки сточных вод
Для правильного определения необходимой степени очистки сточных вод, спускаемых в водоем, в каждом случае нужно иметь подробные данные об их количестве и составе, а также данные детальных обследований водоема, характеризующие местные гидрологические и санитарные условия. Необходимая степень очистки сточных вод определяется применительно к обще-санитарным и органолептическим показателям вредности и к каждому из нормативных показателей загрязнения.
«Санитарные правила и правила охраны поверхностных вод от загрязнения» устанавливают две категории водоемов (или их участков): I – водоемы питьевого и культурно-бытового назначения и II – водоемы рыбохозяйственного назначения.
Состав и свойства воды водных объектов первого типа должны соответствовать нормам в створах, расположенных в водотоках на расстоянии одного километра выше ближайшего по течению, а в непроточных водоемах – в радиусе одного километра от пункта водопользования. Состав и свойства воды в рыбохозяйственных водоемах должны соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (наличие течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска — не далее чем в 500 м от места выпуска.
Правила устанавливают нормируемые значения для следующих параметров воды водоемов: содержание плавающих примесей и взвешенных веществ, запах, привкус, окраска и температура воды, значение рН, состав и концентрации минеральных примесей и растворенного в воде кислорода, биологическая потребность воды в кислороде, состав и предельно допустимая концентрация (ПДК) ядовитых и вредных веществ и болезнетворных бактерий.
Вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему составу, в связи с чем их нормируют по принципу лимитирующего показателя вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества. При нормировании качества воды в водоемах питьевого и культурно-бытового назначения используют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический, обще-санитарный и органолептический. Для водоемов рыбо-хозяйственного назначения наряду с указанными используют еще два вида ЛПВ: токсикологический и рыбо-хозяйственный.
Критерием качества воды является значение:
| (7.1) |
где 
−фактическая концентрация i -гo вещества в воде, мг/л;
– предельно-допустимая концентрация этого вещества в воде, мг/л, n −количество веществ данной группы.
Нормативом поступления веществ в водный объект является ПДС−предельно допустимый сброс массы вещества за единицу времени, г/с:
| (7.2) |
где q −расход сточных вод, 
/с;
− разрешенная концентрация вредного вещества в сточной воде г/м.
В зависимости от требуемой степени очистки очистное сооружение включает аппараты механической и глубокой очистки, обеззараживания и обработки осадков (рис. 1). Очищенные сточные воды могут направляться в оборотные системы водообеспечения промышленных предприятий, на сельскохозяйственные нужды или сбрасываться в водоем. Обработанный осадок может утилизироваться, уничтожаться или складироваться.
Рис. 1. Схема очистки сточных вод:1−сточные воды; усреднитель; 3−сооружения технической очистки; 4− сооружения других групп очистки; 5−сооружения глубокой очистки; 6−сооружения по обеззараживанию сточных вод; 7−осадок или избыточная биомасса; 8−очищенная вода; 9−сооружения по обработке осадка; 10−обработанный осадок
Как правило, во многих случаях приходится применять комбинацию методов.
В качестве наиболее употребительных методов следует указать:
1. Для суспензированных и эмульгированных примесей – отстаивание, флотация, фильтрация, осветление, центрифугирование (для грубодисперсных частиц); коагуляция, флокуляция, электрические методы осаждения (для мелкодисперсных и коллоидных частиц).
2. Для очистки от неорганических соединений – дистилляция, ионообмен, обратный осмос, ультрафильтрация, реагентное осаждение, методы осаждения, электрические методы.
3. Для очистки от органических соединений – экстракция, абсорбция, флотация, ионообиен, реагентные методы (регенерационные методы); биологическое окисление,
озонирование, хлорирование, электрохимическое окисление (деструктивные методы).
4. Для очистки от газов и паров – отдувка, вакуумирование, нагрев, реагентные методы.
5. Для уничтожения вредных веществ – термическое разложение.
На разных предприятиях применяются различные методы очистки сточных вод.
На нефтехимических комбинатах (при производстве синтетического спирта, фенола, ацетона, синтетических жирных кислот, каучука и др.), основными местами образования загрязненных сточных вод являются цехи пиролиза углеводородов, гидратации этилена и ректификации спирта. Сточные воды цеха пиролиза углеводородов содержат этилен, пропилен, бутан, изобутан, бензол, толуол, ксилол, нафталин. В сточных водах цеха гидратации этилена и ректификации спирта присутствуют спирты, ацетальдегид, продукты полимеризации, смола. При применении биологических методов очистки содержание органических веществ (бензола, толуола, ксилола, нафталина и др.) в сточных водах значительно снижается.
На заводах синтетического каучука в сточные воды попадают полимеры, смолы, масла, ацетилен, винилацетат, ацетальдегид, акрилонитрил, бутадиен и др. Методами биологической очистки достаточно полно могут быть окислены этиловый спирт и карбоновые кислоты, хуже — ароматические углеводороды. Весьма устойчивы к окислению диметил и триметилформамид. В этом случае применяется комплексная очистка, включая и утилизацию, физико-химическими (сорбция, дистилляция, ионный обмен) и биологическими методами.
Сточные воды предприятий органического синтеза, содержащие бензол, толуол, пиридин, нейлон и другие, подвергаются механическим и физико-химическим методам очистки. При очистке сточных вод производства капролактама от нитроциклагексанона может быть применено мокрое сжигание. Сточные воды, содержащие трудно окисляемые примеси, проходят двух- и трехступенчатую биологическую очистку. Для очистки сточных вод от анилина, нитробензола, нитротолуола, нитрофенола, хлорбензола, альдегидов, кетонов применяются сорбционные методы очистки. При производстве этилена и пропилена содержащиеся в сточных водах смолы, сажа и ароматические углеводороды могут быть экстрагированы бензином, в результате чего концентрация эфирорастворимых веществ снижается в 30 раз.
В ряде случаев после полной биологической очистки для снижения цветности и разрушения трудно окисляемых компонентов применяются следующие методы глубокой очистки: коагулирование, фильтрование, ионный обмен, озонирование и др.
Таким образом, для удаления из сточных вод органических веществ наиболее универсальным методом является биологическая очистка в аэротенках или на биофильтрах как самостоятельный метод, а также в сочетании с другими методами предварительной очистки и доочистки. Для удаления трудноокисляемых биологическим путем органических веществ, а также неорганических применяются механические, химические и физико-химические методы очистки. Применение тех или иных методов осуществляется на основании экспериментальных исследований реальных сточных вод или при их отсутствии имитата, составленного на основании технологического регламента производства. Как правило, производственные сточные воды перед очистными сооружениями должны быть максимально утилизированы.
В случае расположения промышленного предприятия или группы промышленных предприятий в городской черте либо в непосредственной близости от жилого массива, имеющего централизованную канализацию, необходимо в первую, очередь рассматривать вопрос о совместном отведении и очистке производственных и городских сточных вод. При невозможности совместной очистки следует предварительно обрабатывать производственные сточные воды либо на очистных сооружениях, расположенных на территории предприятия, либо на общих очистных сооружениях. Совместная очистка этих сточных вод, как правило, экономически целесообразна, а с санитарной точки зрения более надежна.