Общая схема борьбы с загрязнением воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Московский Государственный Горный Университет

Кафедра ИЗОС

РЕФЕРАТ

На тему :

«ОБЩАЯ СХЕМА БОРЬБЫ С ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ВОДЫ»

Выполнил:

ст.гр.ТБ-10

Максимов М.О.

Проверил:

доцент кафедры ИЗОС

Батугин А.С.

Москва 2013

Понятие очистка воды следует отличать от понятия борьба с загрязнением воды. Этими понятиями обозначают два совершенно различных вида деятельности. Очистка воды и борьба с загрязнением воды - две стороны одной медали, именуемой качеством воды. Взятая из озера, реки или колодца вода должна быть безопасна для здоровья, иметь приятный вкус и не иметь запаха. Очистка воды представляет собой процесс подготовки воды для потребителя - в быту, в коммерческих предприятиях или на производстве. Безопасность воды достигается удалением из нее болезнетворных микроорганизмов, а вкусовые качества удалением посторонних привкуса и запахов и очисткой от мути и других примесей. Вместе с тем борьба с загрязнением воды направлена на восстановление качеств воды, которые утрачены ею при использовании потребителями. Органические отходы и бактерии, попавшие в воду, должны быть удалены. Нередко требуется также удалить попавшие в воду нитраты и фосфаты. Органические загрязнения удаляются прежде всего для того, чтобы предупредить обеднение воды, в которую попадают эти загрязнения кислородом. Бактерии, содержащиеся в воде, уничтожаются для того, чтобы предупредить заболевания, возникающие у тех, кто впоследствии использует эту воду. Нитраты и фосфаты удаляются для предупреждения эвтрофизации воды, в которую попадают эти загрязнения. Соотношение процессов очистки воды и борьбы с ее загрязнением иллюстрируется на рис. 1.

Рис. 1. Очистка сточных вод и борьба с загрязнением воды. Обратите внимание на то, что очистка воды осуществляется до ее использования в быту или на производстве. Напротив, борьба с загрязнением воды производится после использования воды в общественных целях. Иными словами, очистка воды подготавливает воду для пользования; борьба с загрязнением предполагает ее очистку после использования.

Борьба с загрязнением воды от городских стационарных источников

Борьба с загрязнениями воды насчитывает множество способов, однако выбор подходящего способа определяется в основном источником и типом загрязнения. Выделяют два основных источника загрязнений. Первый - это города, сточные воды которых обычно попадают в природные водоемы через канализационную трубу (или трубы); такие источники загрязнения называют стационарными или точечными. Возникают стационарные источники следующим образом: бытовые и промышленные сточные воды посредством канализационной системы направляются для обработки на очистные станции. После обработки очищенные стоки сбрасываются в любой пригодный водоем. Стационарными такие источники загрязнения называют потому, что известно их точное местоположение. Стационарными источниками загрязнения можно считать и откормочные хозяйства, сбрасывающие в водоемы концентрированные отходы.

Существуют источники загрязнения, которые характерны, например, для сельской местности; в этом случае сточные воды поступают в природные водоемы с обширных поверхностей суши. Попадая сначала в многочисленные ручьи и речушки, загрязнения достигают более крупных рек и озер во множестве точек. Таким источником может быть берег реки или озера; его называют линейным или неточечным источником загрязнения.

Методы борьбы с загрязнениями от стационарных и линейных источников существенно различаются. Для загрязнений, поступающих из стационарных источников, обычно применяются системы технической фиксации, сводящиеся к химическим и биологическим процессам, посредством которых загрязнения удаляются из потока очищаемой воды. Методы борьбы с загрязнениями от линейных источников не так просты, поскольку они далеко не обязательно сводятся к чисто технологическим операциям. Приходится изменять условия землепользования и способы обработки почвы. Приходится также изменять процессы добычи полезных ископаемых, практику выращивания товарного леса и его рубки. В этом разделе мы рассмотрим технологические решения, применяемые для борьбы с загрязнениями от стационарных источников, а в следующем разделе обсудим некоторые изменения в землепользовании, необходимые для борьбы с загрязнениями от линейных источников.

Системы общесплавной канализации

Когда сточные воды поступают на очистную станцию (называемую также станцией очистки сточных вод), они проходят сначала через систему решеток и сеток, благодаря чему все сколько-нибудь крупные посторонние предметы не попадают в очистные сооружения. В числе этих посторонних предметов могут быть: обувь, одежда, ветви деревьев и кустарников и т. п. Казалось бы, подобные предметы не должны встречаться в городских сточных водах, тем не менее наличие их - самое обычное явление. Это обстоятельство - источник серьезной проблемы, с которой сталкиваются практически все общины в США, поскольку дренажная система для ливневых стоков и канализационная система, отводящая промышленные и бытовые стоки, объединены между собой.

Ливневые сточные воды, собираемые дренажной системой,- это просто вода, которая не смогла просочиться в почву после дождя. Поступление ливневых стоков в отводную систему во время гроз может в 100 раз превышать поступление бытовых сточных вод, или поток сточных вод в сухую погоду, составляющий в среднем 450 л в день на каждого жителя. Поскольку поступление ливневых стоков может в 100 раз превышать поступление бытовых сточных вод, очистные сооружения приходится рассчитывать только на объем этих последних (а не в 100 раз больший). При сильном ливне в канализационную систему поступает мощный поток дождевой воды, и оба потока перемешиваются (рис. 2). Однако очистные сооружения могут принять для обработки только свой расчетный объем, равный потоку в сухую погоду. Остальная вода будет сбрасываться в ручей или реку неочищенной. Дождевая вода несет с собой множество загрязнений, включая различные вещества, смытые потоками с улиц. Прежде чем дождевая вода попадет в коллектор сточных вод, она может захватить с собой свинец (из бензина), частицы почвы, экскременты животных, опавшие листья и несгоревшие остатки топлива. Попав в коллектор, поток воды увлечет с собой частицы органических веществ (в том числе бактерий), ранее осевших здесь из медленно текущих канализационных вод во время сухой погоды.

Рис. 2. Объединенная канализационная система, типичная для большинства городов США. Потоки дождевой воды (ливневые сточные воды) попадают в городскую канализационную систему, смешиваясь здесь с бытовыми и промышленными сточными водами. Очистные сооружения, рассчитанные на нормальное поступление сточных вод, неспособны обработать объединенный поток дождевых и канализационных стоков, поэтому большая часть объединенного стока будет проходить мимо очистных устройств, и в реку или озеро попадут неочищенные сточные воды.

Таким образом, ливневые сточные воды в отводной системе отнюдь не являются чистыми; они содержат металлы, органику, а возможно, и патогенные микроорганизмы.

Существуют три пути решения этой проблемы:

1. Строительство отдельной системы отвода ливневых стоков, не связанной с канализационной системой; это обойдется в миллиарды долларов.

2. Регулярная очистка и мойка улиц. Такая процедура уменьшает количество загрязнений, смываемых с тротуаров и мостовых дождевой водой, но не исключает смывания грязи в коллектор сточных вод.

3. Введение в систему больших ливневых резервуаров для заполнения их во время дождей; в дальнейшем эти резервуары будут постепенно опорожняться и в очистные сооружения будет поступать отстоявшаяся вода.

В большинстве городов уделяют мало внимания системе общесплавной канализации ввиду необходимости внушительных затрат.

Первичная очистка

После того как сточные воды пройдут через систему решеток и сеток, они поступают в песколовку, где крупные посторонние включения, например гравий, выпадают на дно медленно текущего потока. Затем поток воды направляется в бассейн для отстоя, обычно именуемый отстойником, где твердые органические частицы постепенно оседают из поступающей сюда воды. Отстой воды в бассейне представляет собой чисто физический процесс; здесь не протекает никаких химических реакций или биологических процессов. Оседание органических частиц из воды происходит вследствие уменьшения скорости течения потока. По мере того как скорость потока уменьшается, вода все слабее увлекает за собой взвешенные в ней примеси, и органические частицы медленно оседают на дно бассейна. Количество твердых органических веществ, удаляемых в отстойнике, может достигать 35% всего органического вещества, содержащегося в сточных водах обычного города. Такой первоначальный отстой воды называется ее первичной очисткой.

Вторичная очистка

Следующий за отстоем процесс предназначен для удаления органических веществ, которые растворены (а не находятся во взвеси) в сточных водах. Новый этап - удаление растворенных органических веществ - именуется вторичной очисткой.

Рис. 3. Сборная установка для очистки сточных вод с помощью активного ила. Часто применяется в мелких хозяйствах. Эти небольшие установки выпускаются и поставляются в виде заготовок из листовой стали. Процесс очистки сточных вод повторяет рабочий цикл крупных установок, за исключением того, что на этой портативиой установке не выполняется первичный этап. Аэрация неочищенных сточных вод на этой установке длится 24 ч, а не 6-8 ч, как на обычных установках.

В одном из процессов, называемом биохимической очисткой сточных вод, используются микроорганизмы. Процесс происходит в большом хорошо аэрируемом резервуаре (тенке), в котором разрушаются растворенные органические вещества. С одного конца в тенк с активным илом из отстойника поступает постоянный поток сточных вод, постепенно сливающихся через выпускное отверстие на другом конце. На выходе сточные воды содержат большое количество микроорганизмов, но мало растворенных органических веществ (рис. 3). Активный ил удаляет из сточных вод до 80-85% растворенных органических веществ. Популяция микроорганизмов, которая постоянно обитает в тенке, использует растворенные в сточных водах органические вещества для питания, роста и размножения. Таким образом, органические вещества удаляются из сточных вод и преобразуются либо в увеличивающуюся массу микробов, либо в конечные продукты биологического окисления. При наличии кислорода эти конечные продукты представляют собой двуокись углерода и воду.

Твердые частицы, образованные в тенке с активным илом, находятся во взвешенном состоянии и вместе с водой покидают тенк. Эта вода направляется в другой отстойник, где происходит осаждение образованного микроорганизмами осадка. Осадок из второго отстойника, содержащий активные микроорганизмы и на 98-99% состоящий из воды, смешивается с твердым осадком из первого отстойника. Это происходит в специальной установке, именуемой перегнивателем. Ниже мы кратко опишем эту установку.

Часть осадка, извлеченного из второго отстойника, вновь возвращается в первый резервуар в качестве «посевного» материала. Ил смешивается с потоком сточных вод после первичной обработки; это дает начало исходной популяции микроорганизмов, которые вновь начнут обработку смеси в бассейне.

Рис. 4. Капельный биофильтр для вторичной очистки сточных вод. Сточные воды распределяются по поверхности слоя щебня и просачиваются через этот фильтрующий слой. Бактериальная пленка, покрывающая поверхность камней, позволяет удалять органические вещества, загрязняющие воду.

Другая достаточно распространенная процедура вторичной очистки с целью удаления из сточных вод растворенных органических веществ состоит в использовании капельных биофильтров. В этом случае сточная вода поступает сверху и просачивается через слой щебня в большой бетонный бассейн. При длительном использовании фильтра на поверхности щебня нарастает слой микробов, которые используют растворенные в сточной воде органические вещества для роста и размножения - точно так же, как это происходит в установках с активным илом. Активный слой, покрывающий щебень, понемногу смывается потоком просачивающейся воды. В результате из сточных вод удаляются как взвешенные частицы органических загрязнений, так и значительная часть растворенных органических веществ, точно так же, как это происходит при очистке сточных вод в отстойниках с активным илом. Такие фильтры способны удалить 80-85% растворенных органических веществ. На крупных установках фильтры бывают до 60 м в диаметре (рис.4). Твердый осадок, удаленный в отстойнике, смешивают с осадком из первичного тенка и перекачивают его в перегниватель.

Перегнивание

Процесс перегнивания отходов состоит в превращении отстоя (шлама) твердых органических отходов в устойчивый (неразложимый) материал. Процесс происходит в большом подогреваемом резервуаре, обычно называемом перегнивателем (рис. 5). Доступ воздуха в резервуар закрыт, так что обработка отходов ведется в бескислородной среде. В резервуаре развивается особая культура микроорганизмов, которые способны существовать при высоких температурах и не нуждаются в кислороде. Эти микроорганизмы превращают органические загрязнения в конечные устойчивые продукты, включающие метан и сероводород. Метан обычно сжигается для получения тепла, необходимого для поддержания в перегнивателе требуемой температуры. В результате образуется твердый неразложимый продукт, который затем высушивается либо в солнечных сушилках, либо в вакуумных камерах.

В различных регионах США способы уничтожения отходов отличаются друг от друга. В течение многих лет в Филадельфии отходы сбрасывали в океан, хотя позднее сбросы осуществлялись только на континентальный шельф США. Во многих городах производится захоронение высушенных отходов на специально отведенных свалках. В других пунктах отходы сначала сжигают в специальных печах и на свалках захораниваются только пепел и зола. В некоторых городах (Сейлем, шт. Орегон; Мадисон, шт. Висконсин) обработанные отходы рассеивались по пашне, но из-за примеси в отходах тяжелых металлов вряд ли такой способ можно считать разумным. В Милуоки обработанные отходы прессуются, упаковываются и продаются как удобрения. «Милорганит» - под таким названием известен этот продукт - можно было бы назвать «грязью, которая сделала Милуоки знаменитым».

Рис. 5. Общая схема борьбы с загрязнением воды.

Представлены три различных набора процессов в рабочей последовательности. При первичной очистке из сточных вод удаляются взвешенные твердые частицы. В ходе вторичной очистки удаляются растворенные органические вещества. Третичная очистка предназначена для удаления из сточных вод фосфора, азота и особо стойких органических соединений. В результате перегнивания - процесса, не входящего ни в один из перечисленных здесь этапов обработки, твердые органические загрязнения разрушаются, превращаясь в стабильные соединения.

Первичная очистка (отстой) сточных вод и их вторичная очистка (использование активного ила или фильтрование через капельный биофильтр) способны вместе удалять из сточных вод до 90% органических загрязнений (рис. 5). Первичная очистка распространена во многих городах США. Вторичная очистка начинает применяться все шире.

Третичная очистка

Основная часть органических веществ удаляется из сточных вод в ходе их первичной и вторичной очистки. Процесс, следующий за вторичной очисткой, предназначен для удаления из сточных вод элементов питания растений. Эти элементы ответственны за эвтрофизацию озер и рек. Процесс, следующий за вторичной очисткой, обычно называют третичной очисткой сточных вод. В отличие от первичной и вторичной очистки третичная очистка в США пока мало распространена.

Проблема эвтрофизации озер и рек достаточно серьезна, но она была осознана лишь в последние десятилетия. В силу этого методы борьбы с эвтрофизацией не получили пока широкого распространения. В настоящее время на территории США, возможно, действует лишь несколько десятков установок подобного назначения. Тем не менее можно надеяться, что третичная очистка сточных вод будет все чаще вводиться в практику очистных станций во многих регионах США.

Основная задача третичной очистки - удалить из сточных вод соединения, содержащие азот и фосфор. Именно эти элементы в основном обусловливают эвтрофизацию природных водоемов, приводящую к бурному росту водорослей. Фосфат-ионы, содержащиеся как в конечных продуктах обмена человека и животных, так и в моющих средствах, удаляются из сточных вод посредством одного комплекса процессов; соединения азота, такие, как аммиак, нитрат- и нитрит-ионы, удаляются при помощи другого комплекса процессов. Третичная очистка сточных вод может также включать адсорбцию с помощью угля тех остатков органических загрязнений, которые не были удалены при вторичной очистке. Все эти процессы достаточно дороги.

Удаление из сточных вод фосфатов осуществляется путем их химического осаждения с последующим отстоем. В поток сточных вод добавляются такие соединения, как соли двухвалентного и трехвалентного железа, соли алюминия и известь. Когда одно из этих соединений хорошо перемешивается со сточными водами, уже прошедшими вторичную очистку, происходит выпадение твердого осадка. Например, ионы кальция из извести (оксида кальция) соединяются с фосфат-ионами в сточных водах и образуют нерастворимые частицы фосфата кальция. Эти частицы удаляются из потока путем простого физического процесса - осаждения. Специалисты полагают, что добавление химических реагентов для осаждения фосфатов можно делать и до поступления очищаемой воды в бассейн первичного отстоя. Это позволило бы одновременно выполнить сбор как органических загрязнений, так и выпадающих в осадок фосфатов. После осаждения фосфатов и их отстоя любое оставшееся во взвеси вещество можно удалить путем фильтрования через слой песка, угольной или гранитной крошки и гравия.

Азот содержится в сточных водах в виде аммиака, а также нитрат- и нитрит-ионов. К сожалению, мы не располагаем методами, с помощью которых на очистных станциях можно было бы удалить из сточных вод путем химического осаждения эти азотистые соединения.

Удаление азота, присутствующего в форме аммиака (NH3), весьма важно по целому ряду причин. Во-первых, аммиак губителен для рыбы. Bo-вторых, аммиак соединяется с хлором, который добавляется к воде для уничтожения болезнетворных бактерий и вирусов. Реакции между хлором и аммиаком приводят к образованию соединений, называемых хлораминами, что уменьшает эффективность хлора в качестве дезинфицирующего средства. В-третьих, в водоемах аммиак окисляется бактериями, и на эти процессы затрачивается большое количество кислорода, растворенного в воде. Ионы аммония можно перевести в газообразный аммиак и затем выделить из воды посредством физического процесса, называемого отгонкой аммиака. Возможно и биологическое удаление аммиака; для этого сточные воды пропускают через аэрируемый резервуар со специальными штаммами микроорганизмов. Эти микроорганизмы превращают азот в аммиаке и нитратах в нитрат-ионы.

Нитрат-ионы следует удалять, поскольку они усиливают эвтрофизацию, однако существуют и другие веские доводы в пользу удаления из сточных вод нитрат- и нитрит-ионов. Если в питьевой воде содержится большое количество нитратов, то у маленьких детей может возникнуть серьезное заболевание крови - метгемоглобинемия. Нитраты из сточных вод можно удалить путем использования специальных штаммов микроорганизмов, которые разлагают нитраты на газообразный азот и воду. Для такой реакции необходимо присутствие метилового спирта; в ходе ее образуются углекислый газ, вода и газообразный азот.

Конечная процедура третичной очистки сточных вод состоит в пропускании потока обрабатываемой воды через башню, заполненную гранулами активированного угля. Такой уголь поглощает растворенные органические вещества, которые остались после предыдущих этапов очистки. Органические соединения «прилипают» к поверхности угольных гранул. Доочистка углем восстанавливает чистоту воды до такой степени, что всерьез рассматривается вопрос о повторном широком использовании этой воды в промышленности и быту после ее фильтрования и дезинфекции.

Одним из самых первых успешных опытов применения третичной очистки была очистка озера Тахо (шт. Невада) в конце шестидесятых годов. Кристально прозрачная вода этого красивейшего озера была погублена буйным ростом водорослей, вызванным повышенным содержанием соединений азота и фосфора, которые поступали в озеро из местной канализационной сети. Специалисты пришли к выводу, что обычная первичная и вторичная очистка сточных вод не остановит деградацию озера. Именно поэтому в 1965 г. на озере Тахо начала работать установка третичной очистки воды. Это позволило удалить фосфаты и аммиак и осуществить доочистку воды путем пропускания ее через активированный уголь для удаления оставшихся органических веществ. Очищенная вода - чистая, бесцветная, лишенная запаха - тем не менее не сливалась в озеро, а перекачивалась на расстояние примерно 45 км в водохранилище Индиан-Крик, созданное в спешном порядке специально для приема очищенных сточных вод.

Хлорирование

загрязнение вода сточный дезинфекция

Поскольку микроорганизмы, живущие в пищеварительном тракте человека, лучше всего развиваются в теплой среде, холодная вода в установках для обработки сточных вод, безусловно, уменьшает их численность. Тем не менее даже после вторичной очистки в воде по-прежнему сохраняется популяция различных микроорганизмов. Поэтому в Америке вода, покидающая очистные установки, как правило, хлорируется для уничтожения патогенных микроорганизмов. Можно сказать, что обработка сточных вод на очистных сооружениях - это только слушание уголовного дела, возбужденного против бактерий; хлорирование же выносит окончательный приговор и оно же выполняет его.

В отличие от бактерий вирусы встречающиеся в пищеварительном тракте человека, медленнее удаляются из сточных вод при очистке последних. Первичная очистка практически не снижает их численности. Вторичная очистка с применением капельных биофильтров уменьшает количество вирусов на 40%; однако вторичная очистка с использованием активного ила способна снизить численность вирусов на 98%. Заключительное хлорирование еще больше снижает их численность, хотя даже после хлорирования живые вирусы, характерные для микрофлоры кишечника человека, все еще могут быть обнаружены в очищенных сточных водах.

Здоровье людей, купающихся или катающихся на лодках в водоемах ниже мест сброса очищенных сточных вод, находится в безопасности вследствие уничтожения патогенных микроорганизмов в этих водах. Процесс хлорирования недорог по сравнению с другими методами дезинфекции очищенных сточных вод. Кроме того, эффективность дезинфекции легко контролируется путем проверки на свободный хлор в сбрасываемых очищенных сточных водах. Однако хлорирование создает ряд проблем, связанных с окружающей средой. Хлор и его соединения с аммиаком ядовиты для рыбы. Для некоторых видов рыб хлор оказывается опасным при концентрации 0,002 мг*л-1 (2 части на млрд.). Предположим, что очищенные сточные воды сбрасываются в реку; предположим далее, что концентрация хлора (свободного и прореагировавшего с аммиаком) в этих водах составляет 2 мг*л-1 (таково обычное значение для сбрасываемых очищенных сточных вод). Следовательно, для того чтобы концентрация хлора в водоеме оказалась ниже 0,002 мг*л-1, необходимо разбавление сточных вод речной водой в 1000 раз.

Другая проблема, связанная с хлорированием сточных вод, состоит в том, что в воде вследствие реакций хлора с углеводородами могут образовываться хлорированные углеводороды. Предполагают, что эти устойчивые и ядовитые вещества, которые, как выявлено, содержатся в системе общественного водоснабжения, канцерогенны.

Добавленный в воду хлор можно удалить из сточных вод путем контакта с сернистым газом; в результате в воде остаются ионы хлора и сульфат-ионы. Сернистый газ способен даже отнять хлор у соединений, которые последний образует с аммиаком, однако сернистый газ не удаляет хлорированных углеводородов, которые, возможно, образовались в сточных водах.

Альтернативным методом дезинфекции воды может служить озонирование. Озон-сильное дезинфицирующее средство, он быстро исчезает из обрабатываемой воды и, по-видимому, не образует попутных токсичных соединений, когда вступает в реакции с какими-либо веществами, присутствующими в воде. В качестве дезинфицирующего средства было испытано и ультрафиолетовое излучение, поскольку его воздействие не приводит к появлению в воде каких-либо нежелательных побочных продуктов. Еще одной альтернативой является отсутствие дезинфекции перед сбросом сточных вод. Например, в Великобритании дезинфекция сточных вод не является общепринятой практикой. Примерная картина снижения уровня загрязнений, а также содержания бактерий и вирусов на каждом этапе полной очистки представлены на рис. 6.

Рис. 6. Удаление различных загрязнений путем" очистки сточных вод.

На диаграмме показана связь между стадиями очистки и уровнем удаления загрязнений. Если стрелка на диаграмме встречает уровень очистки острием, а толщина ее ниже очередного уровня уменьшается, то это означает, что степень загрязнения на этой стадии очистки снижается. Относительное уменьшение толщины стрелки приближенно соответствует снижению степени загрязнения. Например, твердые загрязнения почти полностью удаляются на первой стадии очистки. Напротив, содержание растворенных органических веществ не меняется при первичной очистке, но существенно уменьшается при вторичной очистке- Азот и фосфор из сточных вод в общем не удаляются ни на первой, ни на второй стадиях очистки, но их содержание существенно падает на третьей стадии очистки.

Процессы, которые мы обсудили,- это общепринятые методы очистки сточных вод в американских городах сегодня. Однако в небольших масштабах исследуются и другие процессы и концепции.

Физико-химическая очистка

Все рассмотренные нами методы вторичной очистки предполагают использование микроорганизмов для удаления из сточных вод растворенных органических веществ. Тем не менее биологические способы очистки сточных вод обладают определенными недостатками. Наиболее важная проблема - это чувствительность микроорганизмов к токсичным загрязнениям. Промышленность может сбрасывать такие отходы, которые отравляют микроорганизмы. По мере прохождения сточных вод через различные установки очистной станции специализированные популяции микробов, способные выживать в обычных сточных водах, могут частично или полностью погибнуть. Когда это происходит, эффективность работы станции снижается до уровня, определяемого лишь первичной очисткой сточных вод. Чтобы восстановить эффективность вторичной очистки, должна появиться новая популяция микробов.

В последние два десятилетия благодаря развитию методов физико-химической очистки сточных вод в этой области были достигнуты значительные успехи. Метод физико-химической очистки обеспечивает удаление из воды тех же загрязнений, что и в традиционном комплексе процессов первичной, вторичной и третичной обработки стоков.

Физико-химическая очистка начинается, как и в обычном процессе, с пропускания сточных вод через систему решеток и сеток. На следующем этапе удаляется фосфор. Для этого в сточные воды добавляют специальные реагенты, например известь или квасцы. Образующиеся в результате нерастворимые частицы (фосфаты кальция или алюминия), подобно обычным взвешенным твердым частицам, оседают в отстойнике практически так же, как и при традиционной первичной очистке.

После этого сточные воды проходят через колонку, содержащую активированный уголь, в которой растворенные органические вещества адсорбируются на поверхности угольных гранул. Уровень, удаления органических загрязнений, достигаемый при подобной обработке, соответствует уровню, достигаемому с помощью лучших биологических методов. Когда гранулы активированного угля насыщаются органическими веществами, колонку удаляют для очистки, а на ее место ставится другая. После очистки и регенерации первую колонку вновь устанавливают на рабочее место.

Установки для физико-химической очистки сточных вод вскоре начнут работать во многих местах США, в том числе в городах, расположенных в окрестностях Ниагарского водопада, а также в Нью-Йорке и Кливленде (шт. Огайо).

Очистка сточных вод фильтрацией через почву

загрязнение вода сточный дезинфекция

Одна из идей, предлагаемых в проектах, поддерживаемых правительством,- это очистка сточных вод фильтрацией через почву. Такой подход имеет как преимущества, так и недостатки. Сточные воды содержат фосфор, азот и различные органические вещества, так что они вполне годятся в качестве удобрений на полях; кроме того, они же являются источником влаги. Но хотя идея их использования для ирригации кажется привлекательной, необходимо рассмотреть и другие стороны проблемы.

Прежде всего любому способу очистки сточных вод путем фильтрации через почву должна предшествовать их первичная очистка. Если этим пренебречь, то система распределения стоков будет забиваться различными твердыми включениями. Далее, без первичной очистки в почву будет попадать весьма большое число бактерий и вирусов. Некоторые специалисты считают, что вторичная очистка сточных вод перед их сбросом на землю не нужна; они заверяют, что процессы в почве будут удалять все растворимые органические вещества. Однако другие полагают, что в любом случае сбросу сточных вод на землю должна предшествовать их вторичная очистка.

Разработано три метода очистки сточных вод фильтрацией через почву, причем каждый из них предназначен для какой-либо одной конкретной ситуации. Поверхностный сток используют на местности с уклоном, покрытой растущей травой. Под действием силы тяжести вода стекает по склону, просачиваясь сквозь травяной покров, в сторону водосборного коллектора. Вода не проникает в почву глубоко и у основания склона она объединяется с другими поверхностными стоками. Поскольку процессы удаления загрязнений - биологические, районы, где температура регулярно падает ниже нуля, мало пригодны для реализации подобного метода.

Орошение сточными водами предназначено для удобрения зерновых культур. Такой способ орошения можно было бы рассматривать как пример повторного использования воды. Он, по-видимому, наилучшим образом подходит для засушливых западных штатов США. Округ Маскигон (шт. Мичиган) и город Лаббок (шт. Техас) располагают крупными установками для орошения дождеванием, обеспечивающим поступление сточных вод на поля.

Третий метод - просачивание - раньше использовался для пополнения запаса грунтовых вод; в этом случае сточные воды, предназначенные для очистки, не закачиваются на поля с сельскохозяйственными культурами, а подаются насосами в бассейны, из которых они постепенно просачиваются в почву. Очистка достигается главным образом за счет фильтрации воды через почву.

В округе Нассау на Лонг-Айленде (шт. Нью-Йорк) планируется проводить доочистку местных сточных вод до уровня, соответствующего стандартам питьевой воды, а затем закачивать ее в грунт, а не сбрасывать в океан, с тем чтобы поддерживать запасы чистых грунтовых вод. Восстановление грунтовых вод практикуется также в Израиле и в Нидерландах. В Голландии неочищенная вода из Рейна закачивается в песок и затем извлекается оттуда, прежде чем используется в городском хозяйстве Амстердама. В городе Финикс (шт. Аризона) «излечивают» сточные воды, прошедшие вторичную очистку путем закачивания их в слои песка и гравия. Этот процесс обеспечивает генерацию сточных вод, откачиваемых затем через скважины. Вода оказывается настолько высокого качества, что без ограничения используется для орошения во всем сельскохозяйственном районе вблизи Финикса: ею также можно пополнять озера, где разрешено купаться. Считают, что после дополнительной очистки эта вода становится пригодной для питья.

Еще один метод очистки сточных вод фильтрацией через почву был предложен для использования его в заболоченных местах и дельтах, где реки неторопливо вливаются в озера или заливы и где развивается специфическая растительность, способная переносить неглубокое затопление. Поскольку здесь уже происходит поглощение минеральных элементов и органических остатков, представляется вполне естественным использовать эту возможность для очистки сточных вод. Водяной гиацинт, по-видимому, особенно подходящ для этой цели. Стоимость очистки сточных вод с использованием переувлажненных участков невелика по сравнению с обычными методами очистки, но удаленность этих участков от источника сточных вод может чрезмерно увеличить затраты на их перекачку. Можно создать искусственно затопленные области, но отсутствие достаточных площадей вблизи городских районов порой оказывается серьезным препятствием для применения таких систем. Имеется ряд сообщений о воздействии загрязнений на пернатую водоплавающую дичь и некоторых млекопитающих, населяющих эти местообитания, однако недостаточно учтены возможные опасные последствия, скажем загрязнения тяжелыми металлами, для других видов. По-видимому, наиболее приемлемой представляется очистка подобным методом менее 10 млн. л сточных вод в сутки, но это соответствует небольшому городку с населением всего 15-20 тыс. человек.

Все методы очистки сточных вод путем фильтрации через почву требуют наличия земель, пригодных для лучшего применения (жилищное строительство, промышленное строительство и т. д.). Если пригодные для этой цели участки располагаются слишком далеко от места сброса сточных вод, то потребуется электроэнергия для их перекачки, а это связано с очень большими расходами. Кроме того, далеко не всегда известно, насколько безопасен метод очистки сточных вод путем фильтрации через почву. Федерация по борьбе с загрязнением воды опубликовала в 1974 г. политическое заявление, касающееся очистки сточных вод упомянутым выше методом. В этом заявлении говорилось, что «наши знания о последствиях крупномасштабного использования земельных площадей для размещения отходов, создаваемых человеком, слишком скудны, чтобы оправдывать широкое распространение этого метода».

В 1976 г. исследователи представили первые результаты изучения частоты инфекционных заболеваний в сельскохозяйственных коммунах Израиля (киббуцах), применявших дождевание сточными водами посевов зерновых (личное сообщение Hillel Shuval, Hebrew University-Hadas-sah Medical School, Jerusalem, Israel, 1984). Было обнаружено, что в киббуцах частота инфекционных заболеваний примерно в четыре раза выше по сравнению с частотой в коммунах, которые не практиковали дождевания сточными водами. Капельки воды, содержащие бактерии и вирусы, вероятно, переносились по воздуху ветром, способствуя тем самым распространению болезней. Подвергаются риску не только соседние коммуны; опасности инфекции подвергаются и сельскохозяйственные рабочие. Самое важное, однако, состоит в том, что пищевые культуры, выращиваемые на орошаемых сточными водами землях, могут загрязняться бактериями, вирусами и простейшими, которые в конечном счете попадают к потребителям этих культур. Вспышка холеры в Иерусалиме в 1970 г. была связана с потреблением зараженных овощей, которые поливались сточными водами.

Следует обратить внимание на возможность появления в грунтовых водах нитратов, если для пополнения грунтовых вод будут использоваться сточные воды без предварительного удаления этих ионов. Присутствие нитрат-ионов в достаточно высоких концентрациях в питьевой воде может привести к развитию метгемоглобинемии у детей.

Федеральный закон по борьбе с загрязнением воды

Конгресс пытался контролировать стационарные источники загрязнения воды посредством принятия различных законов, но большая часть основных положения этих законов вошла в Федеральный закон по борьбе с загрязнением воды. Этот закон проходил в Конгрессе в 1972 г.; в 1977 г. к нему были приняты поправки, а в 1985 г. закон снова был пересмотрен. При разработке закона предусматривалось его поэтапное введение: некоторые положения не вводились в действие вплоть до 1989 г. и позже. В соответствии с законом все загрязнения делятся на три класса. Для загрязнений, отнесенных к токсичным, промышленность должна использовать наилучшие из существующих технологий, прежде чем отходы, содержащие токсичные загрязнения, будут сброшены в природные водоемы. Для загрязнений, признанных стандартными, например загрязнений присутствующих в городских сточных водах, должны применяться наилучшие из общепринятых технологий очистки. Все остальные виды загрязнений попадают в третий класс - нестандартных. Эти загрязнения должны обрабатываться с учетом стандартов наилучших из существующих технологий, хотя возможны варианты обработки. Если даже наилучшие из существующих методов неспособны обезопасить водоемы от попадания в них опасных загрязнений, то должны быть введены более строгие ограничения (например, полное запрещение сбросов). Далее, были введены специальные стандарты, названные предварительными стандартами, которым должны соответствовать сточные воды, поступающие на очистные станции.

Для сброса любых отходов в зонах судоходства требуется специальное разрешение Агентства охраны окружающей среды или властей штата. Разумеется, эти разрешения содержат требование, чтобы сбросы удовлетворяли стандартам на токсичные, стандартные и нестандартные загрязнения. Для сбросов загрязнений в открытом море Агентство требует установить специальные стандарты.

Борьба с загрязнением воды в сельской местности

В сельских районах и небольших поселках, где полностью отсутствуют очистные станции, или нет канализационной системы для направления сточных вод на эти станции, домовладельцы чаще всего сбрасывают бытовые отходы в септиктенки. Септиктенк представляет собой усовершенствованный сточный колодец. Конструкция сточного колодца напоминает скважину. Его стенки сложены из камня или бетонных блоков без применения известкового раствора. Неочищенные отходы и сточные воды сливаются прямо в колодец (рис. 7), так что загрязнение грунтовых вод вполне возможно. В отличие от сточного колодца септиктенк представляет собой водонепроницаемый резервуар, изготовленный из металла или бетона (рис. 8). В зависимости от размеров резервуара и размеров дома, который обслуживается этим резервуаром, последний может собирать сточные воды от всех источников за период от полусуток до трех дней. За это время твердые отходы оседают на дно резервуара, где разлагаются под действием бактерий.

Содержимое септиктенка представляет собой сточные воды, из которых удалена часть твердых отходов. Эта жидкость направляется в распределительный узел, а затем по трубам на поля орошения (рис. 9).

Рис. 7. Сточный колодец открытого типа в разрезе. Одно из первых устройств, применяемых для размещения отходов и сточных вод. Устройство колодца несложно. Однако теперь стало ясно, что сточный колодец недостаточно надежное и даже опасное устройство для размещения отходов. Основное возражение против его применения - риск загрязнения грунтовых вод.

Рис. 8. Типичный бетонный септиктенк в разрезе, заменивший сточный колодец в сельской местности. Септиктенк изолирован от окружающей почвы бетонными или металлическими стенками и дном. Такое устройство гарантирует средний уровень очистки бытовых стоков. Концентрированные твердые отходы опускаются на дно и там разлагаются, тогда как относительно очищенный верхний слой направляется на поля орошения.

Рис. 9. Рабочая схема септиктенка и поля орошения. Сточные воды из септиктенка распределяются под поверхностью почвы по площади поля орошения посредством глиняных труб, имеющих небольшие отверстия. Сточные воды просачиваются в почву через эти отверстия, а почвенные бактерии разлагают отходы.

Эти трубы (глиняные или пластмассовые), имеющие отверстия, закапывают на некоторую глубину в землю. Сточные воды просачиваются сквозь эти отверстия и попадают в почву. Почвенные микроорганизмы разлагают поступающие по трубам отходы. Местоположение труб нередко выявляется по сочной траве над ними. Система трубопроводов с отверстиями способствует более равномерному растеканию сточных вод и уменьшает вероятность загрязнения грунтовых вод.

Если семья пользуется сточными колодцами для сброса отходов и воду получает также из колодца, то желательно разместить источник воды подальше (в нескольких сотнях метров) от сточного колодца и по возможности выше места сброса отходов. Далее, почва, на которой размещено поле орошения, должна быть достаточно рыхлой. (Ее пористость можно оценить с помощью простого теста.) В породе, подстилающей почву, не должно быть трещин и щелей, через которые сточные воды могли бы попасть в грунтовые воды. Уровень грунтовых вод должен располагаться по крайней мере на несколько метров ниже уровня труб на поле орошения. Чтобы соответствовать нормам размеров полей орошения для обработки сточных вод, участки под застройку в пригородах должны быть достаточно большими. В небольших поселениях и на промышленных предприятиях довольно широко используются стабилизационные, или окислительные, пруды. Такие пруды представляют собой достаточно большие неглубокие водоемы. Их глубина обычно составляет 0,7-1,2 м; неочищенные сточные воды непосредственно сливаются в такой водоем. Устройство окислительных прудов возможно при низких ценах на землю и соответствующем характере местности. В населенных регионах использование таких прудов осложняется неприятными запахами. Подавляющая часть окислительных прудов строится с расчетом на заполнение сточными водами за двухнедельный срок. Большие по размерам пруды могут заполняться примерно в течение двух месяцев. По мере заполнения пруда твердые отходы постепенно оседают на дно и разлагаются там в отсутствие кислорода. Однако вблизи поверхности пруда бактерии активно окисляют органические вещества в присутствии кислорода. Сорняки и различные водные растения, в том числе водоросли, могут расти в пруду и вблизи него, извлекая питательные вещества из отходов. Кроме того, водоросли продуцируют кислород как побочный продукт фотосинтеза. Свободный кислород помогает поддерживать такие системы в рабочем состоянии при минимальном запахе. Временами пруды подвергаются аэрации: воздух нагнетается в воду, подобно тому как это делается при активации ила. Таким образом, пруд-отстойник может действовать как установка первичной и вторичной очистки сточных вод. Сточные воды, поступающие в окислительный пруд, обычно не подвергаются какой-либо предварительной очистке.

В 1978 г. содержимое окислительного пруда в Уэст-Плейнс (шт. Миссури) площадью 14 га протекло в почву. Многочисленные подземные потоки перенесли загрязнения на много миль вокруг и загрязнили грунтовые воды в обширном районе. С этой утечкой сточных вод было связано свыше 750 случаев желудочно-кишечных заболеваний. Этот инцидент иллюстрирует опасность, связанную с использованием окислительных прудов и сточных колодцев - возможность утечки сточных вод в почву через неплотные и трещиноватые породы. В 1982 г. Агентство охраны окружающей среды в предварительном отчете высказало опасения по поводу того, что около 90% окислительных прудов в США потенциально опасны для грунтовых вод. В этом отчете указывалось, что в США в 80 тыс. пунктов насчитывается более 180 тыс. таких прудов, с размерами от сточных ям при скотных дворах до промышленных прудов-отстойников.

Борьба с загрязнением воды от линейных источников

Линейные (неточечные) источники загрязнения воды включают ручьи и речки, которые могут нести отходы, получаемые с достаточно большой площади суши, в реки и озера. Загрязнения от линейных источников - это органические вещества, соединения азота и фосфора, а также частицы почвы.

Животноводческие фермы дают большое количество навоза, который, несмотря на принимаемые меры, может в конце концов попасть в речки и реки. Использование стойлового содержания как альтернативы откорму на пастбищах приводит к появлению высококонцентрированных источников загрязнения. Бык дает в среднем в 15 раз больше отходов, чем человек; свинья вдвое больше. В целом скот, содержащийся на фермах США, дает в десять раз больше отходов, чем все население США. Для борьбы с загрязнением воды отходами с пастбищ и скотоводческих ферм можно в больших масштабах применять простейшие очистные сооружения, например окислительные пруды.

Посевы сельскохозяйственных культур, в том числе зерновых, также могут оказаться источником загрязнения воды, поскольку на полях используются удобрения. Вносимые удобрения содержат азот и фосфор - два элемента, обусловливающих эвтрофизацию. Помимо удобрений, в природные водоемы с полей попадают остатки растений и частицы почвы в результате эрозии. Процессы эрозии идут на пахотных землях, на пастбищах и вырубках, открытых разработках полезных ископаемых и отвалах, на строительных площадках. Твердые частицы образуют взвеси в текущей воде, значительно замутняя воду. По степени важности донные осадки, образующиеся в результате эрозии и засоряющие реки и ручьи, оказываются загрязнением номер один.

Борьба с загрязнениями, связанными с сельскохозяйственными землями, предусматривает более осторожное внесение удобрений и пестицидов. Контурная вспашка на небольших склонах и террасирование на крутых холмах помогает уменьшить смыв почвы. В последнее десятилетие многие фермеры перешли к сокращенной обработке почвы или к безотвальной вспашке, что позволяет экономить усилия по обработке и топливо. Такие приемы обработки предусматривают использование гербицидов для уничтожения сорняков, поскольку весной вспашка с оборотом пласта для уничтожения сорных растений не производится; это способствует значительному ослаблению эрозии. Однако гербициды вымываются потоками воды вместе с другими химическими соединениями, используемыми для уничтожения насекомых-вредителей. Было обнаружено, что многие гербициды и инсектициды обладают канцерогенными свойствами. Поэтому важно, чтобы гербициды, выбранные для обработки посевов, оказывали наименьшее воздействие на человека.

Системы удаления отходов могут дать начало линейным источникам загрязнения. Городские сточные воды, которые не попадают в канализационную систему, а прямо из водоводов или дренажных канав сбрасываются в реки, также вносят свой вклад в загрязнение воды. Дождевая вода смывает с поверхности автострад и улиц тяжелые металлы, в частности свинец, содержащийся в этилированном бензине. Уличные магистрали и стоянки у магазинов, размеры и площади которых быстро растут, порождают условия, при которых сток дождевой воды происходит очень быстро и тем самым вызывает сильную эрозию. Из-за быстрого образования потоков с автострад и автомобильных стоянок у торговых центров водоотводы могут быстро размываться, что увеличивает количество осадков, уносимых стекающей водой.

Успехи в деле очистки воды

В 1984 г. Агентство охраны окружающей среды США и ассоциация должностных лиц штатов, занимающихся борьбой с загрязнением воды, опубликовали отчет об успехах в деле очистки сточных вод за десятилетие, с 1972 по 1982 г. За этот период в реализацию программ борьбы с загрязнением воды было вложено 56 млрд. долларов. Из этой суммы федеральное правительство обеспечило 64%, в основном через посредство ассигнований на соответствующие программы; администрации штатов-9%; местные власти (округа, города, поселки)-27%. По данным 1982 г. население США составило 224 млн. человек. Таким образом, затраты на борьбу с загрязнением воды на каждого жителя США составили 250 долларов. Что же это дало?

Рис. 10. Прогресс в очистке сточных вод в США. (Данные из "American's Clean Water", Association of State and Interstate Water Pollution Control Administrators, 1984.)

Число жителей, обслуживаемых системами вторичной очистки и очистки более высокого уровня, возросло с 85 млн. в 1972 г. до 142 млн., в 1982 г., т. е. увеличилось на 57 млн. человек. Если рассчитать вложения на борьбу с загрязнением воды только на тех людей, которые были вновь охвачены системами вторичной очистки, то величина затрат составит 982 доллара на человека.

142 млн. жителей США уже обслуживаются системами вторичной очистки и очистки более высокого уровня, однако 44 млн. обслуживаются только местными системами (главным образом септиктенками). Эти люди, в основном жители сельской местности, не нуждаются в каких-либо централизованных установках очистки отходов, необходимых в городских условиях. Остается 38 млн. человек, или 17% жителей США, которые не пользуются установками Вторичной очистки, коллекторами сточных вод или вообще каким-либо оборудованием для удаления загрязнений из воды (рис. 10). Согласно оценкам, сделанным Агентством охраны окружающей среды и администрациями штатов, затраты на удовлетворение потребностей оставшейся части населения в очистных сооружениях, составляют 118 млрд. долларов. Эта сумма включает не только очистные сооружения, но и канализационные системы для 14 млн. человек.

Новая канализационная сеть и очистные сооружения для 57 млн. жителей, созданные за время с 1972 по 1982 г., строились в расчете на серьезное ограничение органических загрязнений, сбрасываемых во внутренние водоемы страны (в том числе реки). Органические загрязнения, забирающие растворенный в воде кислород, должны были сократиться на 52% относительно предполагаемого уровня 1982 г., который имел бы место без новых очистных сооружений.

В то же время отчет за 1981 г., сделанный Центральным финансово-контрольным управлением при Конгрессе США, контролирующем инвестиционную политику, отразил серьезные сомнения в реальности достижений за это десятилетие. Управление обнаружило угрожающую скорость роста неспособности существующих сооружений работать в соответствии с принятыми стандартами. Из 876 установок, обрабатывающих 4 млн. литров или большее количество сточных вод за день, управление случайно выбрало 242 установки. Проконтролировав сбросы этих очистных станций за год (1978-1979), управление пришло к выводу, что в 87% случаев был существенно превышен допустимый уровень загрязнения в течение по крайней мере одного месяца за указанный годичный промежуток. Кроме того, на 75 из выбранных установок (31%) превышение допустимых уровней загрязнений более чем на 50% имело место более чем за четыре последовательных месяца в проверяемом году. Превышение уровня загрязнений имело место по ВПК, наличию взвешенных частиц и кишечной палочки.

Эти грубые нарушения были отнесены на счет используемого оборудования, установленного поставщиками, которое выходило из строя в ходе работы. В соответствии с федеральным законом, подрядчикам было разрешено заменять вышедшее из строя оборудование на оборудование, не уступающее по качеству прежнему. Конструктор и городские власти должны были представлять доказательства, что заменяемое оборудование не соответствует требуемым стандартам. Могли быть выявлены и другие потенциальные причины аварий, но существующие федеральные инструкции требуют указания основной причины.