Рациональное использование воды
- сокращение потерь в системе водопроводно-канализационного хозяйства;
- организацию мониторинга всех водопотребителей в городе с точки зрения оценки состояния внутренних санитарно-технических систем зданий;
- замену воды питьевого качества на техническую воду для ряда потребителей при соответствующем технико-экономическом и санитарно-гигиеническом обосновании;
- совершенствование учета водопотребления;
- завершение перехода на расчёты управляющих организаций с населением за фактическое потребление воды, исходя из показаний приборов учета;
- проведение работ по нормализации и контролю за давлением;
- совершенствование технологии обнаружения утечек воды;
- сокращение нерационального водопользования на предприятиях города;
- строительство систем оборотного водоснабжения;
- установка антивандальной санитарно-технической арматуры в культурно-бытовом секторе и бюджетных организациях.
Важнейший вклад в становление принципов международного сотрудничества в области охраны окружающей среды внесли стокгольмская Конференция ООН по проблемам окружающей человека среды (1972 г.), Всемирная хартия природы, одобренная Генеральной Ассамблеей ООН (1982 г.), и международная Конференция ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992 г.).
Хартия провозгласила ряд принципиально важных для всего человечества положений.
1. Человечество осознает, что является составной частью природы. Поэтому к природе следует относиться с уважением и не нарушать ее основных принципов.
2. Генетическая основа жизни на Земле не должна подвергаться опасности.
3. Все регионы Земли, как на суше, так и на морях, должны быть подчинены охране, в соответствии с этими требованиями особая защита должна обеспечиваться уникальным районам - типичным представителям всех видов экосистем и среды обитания редких или исчезающих видов.
4. Природные ресурсы должны не расточаться, а использоваться умеренно. Итоговым документом Конференции ОНИ в Рио-де-Жанейро явилась «Повестка дня на XXI век», которая содержит около сорока разделов по направлениям деятельности мирового сообщества в области взаимных проблем окружающей среды и социально-экономического развития. Конференция приняла рекомендации о переходе человечества к устойчивому развитию и указала на необходимость решения для этого трех стратегических задач, стоящих перед мировым сообществом:
1) ограничение роста производства и потребления в промышленно развитых странах мира;
2) разумное ограничение роста населения, особенно в развитых странах Азии и Африки;
3) предотвращение углубления неравенства между богатыми и бедными странами и регионами.
Механическая очистка
Методы очистки стоков следует разделить на механические, физико-химические и биологические (рис. 1). К механическим относятся осаждение, флотация и фильтрование.
Осаждение предназначено для удаления из воды крупнодисперсных примесей (песка и взвесей) и может быть организовано двумя способами: под действием силы тяжести (отстойники) или центробежной силы. Подобные установки способны удалять песок с размером частиц не менее 0,15-0,20 мм. Часто для очистки стоков прибегают к организации многокаскадных отстойников, когда частично осветленная на первых стадиях отстаивания вода по напорным коллекторам подается на следующие стадии.
Флотация также является способом очистки от грубодисперсных примесей. Сущность данного метода заключается в переносе загрязняющих веществ на поверхность воды с помощью пузырьков воздуха. Затем всплывшие в виде пенных образований примеси удаляются специальными скребками (рис. 3). Воздушные пузырьки для организации флотации могут быть получены посредством механического дробления воздуха с помощью турбин, форсунок и пористых пластин; перенасыщением воды воздухом, а также ее электролизом (электрофлотация).
Наиболее распространенным методом очистки воды от грубодисперсных примесей является фильтрование через слой пористого материала или сетки с подходящим размером отверстий. Очистка фильтрованием особенно актуальна в технологических процессах, использующих оборотную воду.
Физико-химические методы
Физико-химические методы применяются для очистки сточных вод от мелкодисперсных (0,1-10 мкм) и коллоидных (0,001-0,1 мкм) примесей, а также кислот, оснований и некоторых ионов.
Одним из методов физико-химической очистки является нейтрализация - процесс, основанный на реакции между кислотой и основанием. Как правило, нейтрализации подлежат кислые стоки. В качестве нейтрализующих агентов в данном случае применяют соду, аммиак, известь, мраморную крошку, щелочную золу, шлаки и другие щелочные реагенты.
Схожими между собой способами очистки сточных вод являются коагуляция и флокуляция. Сущность их заключается во взаимодействии загрязняющих веществ (коллоидных и мелкодисперсных частиц) либо с минеральными соединениями (коагуляция), либо с высокомолекулярными веществами (флокуляция). В качестве коагулянтов используются в основном соли алюминия (III) и железа (III), которые в результате гидролиза переходят в малорастворимые формы в виде гидроксидов этих металлов: Al(OH)3 и Fe(OH)3. В процессе образования данные гидроксиды могут захватывать органические и неорганические примеси, образуя хлопья с рыхлой сетчатой структурой, которые легко удаляются из очищаемой воды. Недостаток метода очистки коагуляцией заключается в том, что коагуляция сопровождается образованием достаточно объемных осадков с высокой (до 99 %) влажностью, которые необходимо утилизировать.
Флокуляцию применяют в основном в сочетании с добавлением минеральных коагулянтов. Сущность метода в том, что функциональные группы флокулянта адсорбируются на поверхности сразу нескольких твердых частиц (загрязнителей) также с образованием хлопьев. Наиболее эффективными флокулянтами являются активированная кремниевая кислота и органические полимеры (крахмал, производные целлюлозы, полиакриламид, полиэтиленимин и др.). Недостаток метода - отсутствие универсального флокулянта для выделения широкого спектра загрязняющих веществ. Однако при правильной организации флокуляция позволяет достаточно полно выделять определенные компоненты с целью их повторного использования.
Для глубокой очистки загрязненных сточных вод используется метод обратного осмоса (гиперфильтрации), основанный на разделении растворов под давлением (от 3 до 8 МПа) на полупроницаемой мембране, пропускающей воду и задерживающей молекулы или ионы загрязняющих веществ (ЗВ). Эффективность данного процесса определяется как селективностью мембраны по отношению к ЗВ, так и ее проницаемостью. Подобным методом можно выделять из сточных вод и утилизировать низкомолекулярные растворенные вещества (сахара, соли, кислоты). Использование мембранных методов для очистки сточных вод целесообразно после проведения предварительной (более грубой) очистки.
Сущность ионообменного метода очистки заключается в фильтрации очищаемых сточных вод через ионообменные смолы (иониты). Среди ионитов различают сильно- и слабокислотные катиониты и сильно- и слабоосновные аниониты, а также аниониты, содержащие специфические комплексообразующие группы. Проходя через ионит, ЗВ, включающее катионную группу, вступает в реакцию обмена с катионитом и оседает на нем. И наоборот, ЗВ, в составе которого есть специфические анионные группы, связывается с анионитами. Преимущество метода состоит в том, что он позволяет целенаправленно выделить определенные вещества из раствора и провести регенерацию ионообменных смол.
В случаях, когда загрязняющее вещество невозможно извлечь из сточных вод или другие способы неприменимы, используют деструктивные методы очистки, сущность которых сводится к разложению ЗВ до компонентов, безвредных для окружающей среды. Различают термоокислительные и электрохимические способы деструкции, а также методы с применением сильных окислителей.
Биологическая очистка
Вышеперечисленные методы не могут обеспечить эффективной очистки воды от широкого спектра простых и сложных органических веществ, поэтому в настоящее время практически все типы сточных вод перед сбросом в водоемы проходят стадию биологической очистки, сущность которой сводится к тому, что в определенных условиях микроорганизмы (МО) могут расщеплять органические вещества до конечных продуктов - воды, углекислого газа, нитрит-, сульфат-ионов и т.д.
По типу МО, участвующих в разложении органических веществ, все биологические методы могут быть разделены на аэробные (для их жизнедеятельности необходим кислород) и анаэробные (живут в отсутствии кислорода). Кроме того, существуют отдельные штаммы МО, для жизнедеятельности которых необходимо наличие в питательной среде азота. Аэробный процесс усвоения азотистых веществ называется нитрификацией, а анаэробный - денитрификацией.
Все аэробные биологические методы очистки могут быть разделены по типу резервуара, в котором происходит окисление ЗВ («резервуарами» в данном случае могут являться поля фильтрации, биологические пруды, аэротенки и биофильтры). При этом сущность самого метода очистки (минерализация органических веществ) остается неизменной. В естественных условиях биологическая очистка происходит на полях фильтрации (орошения) и в биологических прудах.
Поля фильтрации представляют собой специализированные земельные участки, выделенные для сброса на них загрязненных сточных вод и населенные почвенными аэробными МО. Попадая в почву, вредные органические вещества подвергаются окислительному действию МО, в результате чего образуется СО2 и Н2О (здесь же могут проходить и процессы нитрификации). При этом, параллельно с окислением органического вещества, происходит синтез биомассы микроорганизмов.
Аэробное окисление в биологических прудах представляет собой процесс минерализации органических веществ под действием МО, обитающих в воде. Биологические пруды представляют собой водоемы, в которых создаются наиболее благоприятные для жизнедеятельности МО условия (небольшая глубина, отсутствие течений, большое количество микроводорослей, насыщающих воду кислородом, обилие простейших, питающихся бактериями и т.п.). Строительство биологических прудов целесообразно как для доочистки сточных вод, так и для очистки воды рек, впадающих в водохранилища.
Масштабное использование биологических прудов и полей фильтрации ограничивают сезонный характер их работы, малая пропускная способность, а также необходимость в отводе больших участков земли и постоянном контроле уровня грунтовых вод.
При очистке сточных вод в аэротенках и биофильтрах разложение ЗВ микроорганизмами проходит в искусственных сооружениях. Здесь удается подобрать и поддерживать в течение длительных промежутков времени оптимальные условия для жизнедеятельности МО (температура, значение рН, насыщение кислородом и др.), активизируя процесс минерализации. Очистка на биофильтрах имитирует почвенные условия, а очистка в аэротенках - условия водоемов.
Аэротенки представляют собой достаточно глубокие (от 3 до 6 м) резервуары, снабженные устройствами для аэрации (рис. 4). Здесь обитают колонии МО (на хлопьевидных структурах активного ила), расщепляющие органические вещества. После аэротенков очищенная вода попадает в отстойники, где происходит осаждение активного ила для последующего частичного возвращения его в аэротенк. Кроме того, на подобных сооружениях устраиваются специальные емкости, в которых ил «отдыхает» (регенерируется).
В простейшем исполнении биофильтр представляет собой резервуар, заполненный крупнозернистым материалом, на частицах которого закрепляются МО. То есть, в отличие от аэротенка, аэробные бактерии расположены здесь на стационарно размещенных носителях. Биофильтры проще аэротенков в эксплуатации, более надежны и способны переносить периодические перегрузки по загрязнению и объему сточных вод. Главное направление в совершенствовании биофильтров в настоящее время состоит в увеличении поверхности загрузки. Как и для любых живых систем, для сооружений биологической очистки существуют концентрации загрязняющих веществ, чье превышение может привести к гибели всей колонии МО. Предельные концентрации ЗВ, до которых следует очищать сточные воды перед подачей на биологическую очистку, представлены в табл. 2.
В случае высокой концентрации в сточных водах органических веществ (БПК более 1000 мг/л), а также при очистке бытовых стоков (БПК от 30 до 50 мг/л) как один из наиболее перспективных может рассматриваться анаэробный метод очистки. Его преимущество перед аэробными заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных МО не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.
Анаэробные реакторы обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, нестандартного оборудования. Этот факт также является немаловажным при эксплуатации сооружений подобного типа. Однако процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе.
Все вышеперечисленные методы применимы, когда концентрация определенных ЗВ не превышает допустимую. В большинстве случаев необходимо проводить три-четыре ступени предочистки сточных вод, чтобы добиться необходимого содержания определенных ЗВ. Кроме того, чтобы сбросить уже очищенные сточные воды в водоем после сооружений биологической очистки, часто необходима их доочистка (например, озонированием или УФ-облучением).
Существуют и так называемые некондиционные стоки - сточные воды, которые не могут быть очищены при помощи современных технологий, или их очистка представляется нецелесообразной. Они подвергаются утилизации - закачке в естественные подземные резервуары. Ими могут стать, например, области с пониженным пластовым давлением, образующиеся в результате промышленной откачки углеводородов. Однако утилизация сточных вод подобным образом возможна лишь в том случае, когда принимающий подземный горизонт полностью изолирован от горизонтов, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, бальнеологических и промышленных целей.