CC BY
121ййI:
УДК 628.54
ВИДЫ ОСАДКОВ И СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ
Дмитриева Татьяна Васильевна - студент Университета Синергия, инженер метеоролог, [email protected]
Аннотация: поставлены проблемы современного мира, связанного с нехваткой питьевой воды надлежащего качества, рассмотрены пути восполнения пресных поверхностных вод за счет атмосферных осадков и причины их загрязнения вредными веществами. Представлены элементы и их лимитирующее содержание в воде, по которым проводится регламентирующий контроль за качеством. Рассмотрены способы образования и состав донных и иловых осадков в природных и сточных водах. Проведен сравнительный анализ биологических и химико-физических методов очистки сточных вод.
Ключевые слова: природные воды и сточные воды, атмосферные осадки, загрязняющие вещества, очистка сточных вод, биохимические и физико-химические методы.
О
Введение.
бщеизвестно что, суша на земле занимает всего 30,0 %, на водные ресурсы приходится - 70,0 %, в том числе
запасы пресной воды всего лишь составляют 6,0 %.
Реки, питаемые атмосферными осадками, и подземные воды всегда являлись источником пресной воды на Земле. В эпоху антропогенного загрязнения проблемы чистой пресной воды для человечества стоят особенно остро. Современные реалии свидетельствуют о накоплении различных примесей в природных пресных водах, транспортировке продуктов жизнедеятельности человека вместе с водой по бассейнам и руслам рек в моря и затем в океаны.
Несмотря на очистку и разубоживание токсичных веществ, которые попадают в
основные русла рек и подземные источники, большая их часть вместе с использованной пресной водой возвращается в поверхностные водоемы в виде сточных вод.
Поэ т ому изучение макро- и микрокомпонентного состава пресных природных вод, образование осадков и современные способы очистки природных и сточных вод является весьма актуальной. К тому же требования к качеству питьевой воды не исче р п ываются только ее безвредностью в эпидемиологическом и химическом отношении.
Основная часть. Основное поступление пресной воды в природные водоемы осуществляется посредством атмосферных осадков в виде дождя и снега, которые в свою очередь также различаются по дисперсности и агрегатному состоянию, (рис. 1).
Основное поступление пресной воды в природные водоемы
Рис. 1. Атмосферные осадки
Рассматривая представленную схему, необходимо пояснить, что атмосферные осадки в виде росы или града нельзя рассматривать, как источник постоянного поступления пресной воды, так как данные метеорологические явления представляют частные случаи в перечне классификации атмосферных осадков.
В связи с антропогенным загрязнением атмосферы и попаданием вредных веществ вместе с осадками в поверхностные водоемы, контроль за качеством воды должен осуществляться в соответствии с нормами и правилами.
По химическому составу вода должна быть также безвредна для здоровья. В связи с этим в стандарте на питьевую воду нормируется содержание бериллия, молибдена, мышьяка, нитратов, свинца, селена, стронция, фтора, урана, радия-226 и стронция-50.
Бериллий - широко распространенный в природе микроэлемент. Он содержится в минералах, горных породах, а также в некоторых природных водах и является ядом общетоксического действия, приводящих к поражению дыхательной, нервной и сердечнососудистых систем. Допустимое содержание бериллия в питьевой воде только 0,0002 мг/л.
Молибден содержится в воде в виде иона молибденовой кислоты. Этот микроэлемент влияет отрицательно на активность ферментов, вызывает уменьшение меди в организме. В питьевой воде допустимая норма 0,5 мг/л.
Мышьяк в определенных концентрациях является ядовитым микроэлементом, приводящим к расстройствам нервной системы. При концентрации мышьяка в питьевой воде 2,2 мг/л наблюдалось отравление со смертельным исходом. Его ПДК в воде - 0,05 мг/л.
Свинец в малых концентрациях поступает в организм человека с пищей, водой и обнаруживается во всех органах тела, но вызывает отравление, когда его поступление в организм превышает определенные пределы. Массовые отравления свинцом возникали при использовании на водопроводах свинцовых труб. В настоящее время использование свинцовых труб в системах хозяйственно-питьевого водоснаб-
жения не допускается законодательством. Содержание свинца в питьевой воде -0, 1 м г/л .
Стронций широко распространен в природных водах. Под влиянием больших доз этого элемента в организме наступают изменения со стороны минерального обмена. Содержание в питьевой воде должно быть 2 мг/л.
Фтор - один из наиболее рассеянных и своеобразных микроэлементов. Повышенное содержание фтора в воде (более 1,5 мг/л) оказывает вредное влияние на людей. У населения развивается эндемический флюороз. Отмечается нарушение процессов окостенения скелета, истощение организма, характерное поражение зубов, на зубах появляются желтые, а затем коричневые пятна, эрозия эмали, возрастают хрупкость и стира-емость зубов. Низкие концентрации фтора в питьевой воде способствуют заболеванию кариесом зубов. Это - поражение твердых тка н е й зуба, выражающееся в последовательном его разрушении (эмали, дентина, цемента) с образованием полости. Оптимальная доза фтора лежит в пределах от 0,7 до 1,5 мг/л.
Уран - часто встречается в природных водах. Особенно большие концентрации этого радиоактивного элемента наблюдаются в подземных водах. Повышенные концентрации урана оказывают токсическое влияние, нарушая нормальные функции многих органов человека. Допустимое содержание урана в воде 1,7 мг/л.
Нитраты вызывают у детей раннего возраста так называемую метгемоглобине-мию. В основе этого заболевания лежит ки слородное голодание. Допустимое содержа ние в питьевой воде нитратов - 10 мг/л.
ГОСТ регламентирует также содержание в питьевой воде радиоактивных элементов - радия-226 и радия-90.
Г игиенические требования к качеству воды не исчерпываются ее безвредностью в эпидемиологическом отношении и безопасностью в химическом отношении. Вода должна иметь хорошие органолептические свойства. Это - прозрачность, цвет, запах, вкус и температура.
Существуют следующие типы исследований проб сточных и питьевых вод:
- химический - применяется весовой и объемный методы анализа;
- электрохимический - процедура использует полярографический и потенцио-метрический методы анализа;
- оптический - образец исследуется посредством фотометрических, люминесцентных и спектрометрических методик. Считаются самыми результативными, но за счет необходимости использовать очень редкое и сложное оборудование являются и наименее применяемыми, дорогостоящими. Используются для покомпонентного тестирования как питьевых, сточных, так и хозяйственно-бытовых, промышленных вод;
- санитарно-микробиологический, пара-зитологический и бактериологический -применяются титрационный, АТФ, чашечный подсчет, мембранная фильтрация выращивание и прочие методы анализа: сточная вода, питьевая и хозяйственно-бытовая проверяются комплексами, составленными из перечисленных тестов;
- фотохимический - покомпонентный состав пробы определяется фотохимическим методом;
- хроматографический - один из самых сложных типов исследования, который использует метод тонкослойной хроматографии, жидкостной колоночной хроматографии и высокоэффективной жидкостной хроматографии. Чтобы оценить пробу также необходимо использовать сложное и редкое оборудование;
- органолептический — эталонный метод исследования проб. Применяется исключительно к питьевым видам образцов;
- токсикологический и радиационный -приборные способы проверки наличия в
предъявленном образце вредных для здоровья токсинов, а и Р-частичек.
Перечисленные типы исследований разработаны для проверки качества жидкости применяемой для приготовления пищи, питья и используемой в хозяйственно-бытовых нуждах. Однако многие методы анализа питьевой воды пригодны и для установления степени загрязненности сточ-н ых вод, прошедших через очистные сооружения.
В процессе химических реакций примесных элементов в воде образуются различные твердые соединения, которые постепенно трансформируются в донные или иловые осадки. Данные осадки образуются в результате процессов, протекающих в природных средах или под действием различных реагентов при очитке воды на специальных предприятиях.
Е сли в природных водах осадок, в основном, состоит из мелкого кварца, полевого шпата и органических включений, вызванных результатом жизнедеятельности различных микроорганизмов, то в сточных водах спектр представленных осадков гораздо шире.
П рактически любые сточные воды содержат некоторый осадок. Осадок - это водная суспензия органических и неорганических веществ разного состава и происхождения, которые выделяются из сточных вод при их механической, биологической или физико-химической обработке. Г л а вн ым образом, осадок представляет со-б о й полидисперсную суспензию, которая трудно поддается обезвоживанию [12]. Вода в осадках может быть связана химически, физико-химически и физико-механически с твердыми частицами, табл. 1.
Таблица 1
Химический состав основных осадков, присутствующих в сточных водах
№ Наименование осадков Состав
1 минеральные песок, глинистые частицы, масла, кислоты, щелочи, соли
2 органические зольность < 10 % (бытовые отходы, нефтепродукты, волокна)
3 смеси смеси органических и минеральных веществ, зольность 10.. .60 %.
В зависимости от технологии очистки сточных вод выделяют:
- осадок с решеток;
- осадок из песколовок;
- осадок первичных отстойников;
- активный ил после биоочистки в аэротенках;
- биологическая пленка отстойников после биофильтра;
- осадок первичных отстойников после
коагуляции или флокуляции;
- активный ил после коагуляции;
- смесь разных видов осадков и ила.
Температура осадков в зависимости от
технологии очистки может быть 12...200°С, а кислотность среды рН = 6.8. Кроме того выделяют первичные и вторичные осадки [2].
Виды очистки сточных вод подразделяют на несколько методов.
Биологическая очистка
Сточные воды, после фильтрации от растворенных механических примесей и их взвесей, подвергаются биологической очистке. Она основана на расщеплении отходов жизнедеятельности человека и производства в ходе метаболизма живых организмов (простейших и бактерий) до воды, углекислого газа и других безопасных продуктов. С точки зрения микробиологии, методы подразделяются на:
- аэробные - с применением микроорганизмов, для существования которых необходим кислород;
- анаэробные - для которых кислород не нужен;
В зависимости от выбранного из вышеуказанных типа, подбирается и тип емкости, в котором проводится отчистка. Так, аэро-тенки и биофильтры применяются для аэробов, а метантенки - для анаэробов.
Аэротенк представляет собой герметичную железобетонную емкость высотой 5...6 метров, в которую подается воздух. Рабочий компонент представлен в виде активного ила - осадка хлопьев живой биомассы (около 70 % от суммарного веса) и неорганического субстрата, которые образуют зооглею - колонию микроорганизмов, объединенную общей слизистой капсулой. Сам процесс идет на нескольких трофических уровнях гетеротрофные бактерии и сапро-зойные простейшие (например, саркодовые) питаются растворенными органическими и минеральными веществами, наращивая биомассу. Эту биомассу поглощают более крупные простейшие, регулируя возрастной и видовой состав компонентов активного ила.
Для большей эффективности используются окситенки, в которых подается не атмосферный воздух, а насыщенный кислородом, что благоприятствует размножению аэробов.
На данный момент идут разработки по использованию активного ила в качестве удобрений после предварительной обработки и перегнивания. Также широко распространены биологические фильтры. В каче-ст в е фильтровального материала используется пористая основа (керамзит, гравий, полимерные материалы и прочие), а биомасса представлена в виде пленки, которая иммобилизована на субстрате. Преимуществом биофильтров над аэротенками являются большая простота установки на очистных сооружениях и компактность благодаря большей плотности микроорганизмов. В случае высокой концентрации загрязнения воды, а также для переработки активного ила, применяются метантенки. Резервуар оснащен устройством для отвода газа и противопламенными ловушками. Органические вещества окисляются до метана путем анаэробного брожения. Существенный недостаток - сложность оборудования из-за необходимости наблюдения за концентрацией метана из-за его взрывоопасности. С другой стороны, выделяющийся биогаз можно использовать для внутренних нужд, поскольку тот является экологически чистым топливом.
Общими преимуществами всех способов биоочистки от органических и неорганических соединений являются:
- высокая эффективность;
- возможность автономной работы;
- экологичность - низкое энергопотребление и отсутствие выделения опасных веществ;
- э к о номичность по сравнению с другими методами;
- возможность использования отработавшего материала в качестве удобрения или топлива.
Физико-химические методы очистки.
Физико-химические методы очистки являются довольно эффективным способом очищения сточной воды с параллельным извлечением ценного сырья, повторно используемого в производстве, или же отправляемого на вторичную переработку. Этот момент является особенно актуальным на предприятиях пищевых производств, убоя и переработки мяса и птицы, при производстве крахмала и продуктов из молока.
Сооружения, в основу работы которых они положены, могут быть центром, или частью общей системы очистки производственных стоков, что зависит от их состава и свойств, а также необходимой степени избавления сточной воды от загрязнений и извлечения ценного вторичного сырья.
Самая простая схема очищения сточной воды (рис. 2), в основе которой лежат эти методы, состоит из установок коагуляции загрязняющих веществ, их отстаивания и флотации. Более высокая степень очистки в этой схеме может быть получена добавлением фильтра с зернистой загрузкой, в качестве которого могут быть использованы
песчаные фильтры, например высокотехнологичные песчаные фильтры NWR - Continuous Sand Filter, выпускаемые компанией Nijhuis Water Technology. Еще более высокая степень очищения сточной воды может быть получена при использовании адсорбции активированным углем, используемой в угольных фильтрах NWR - Carbopure, выпускаемых тем же производителем, компанией Nijhuis Water Technology. Применение сорбирующих установок позволяет произвести глубокую очистку сточной воды в том случае, когда площади, отведенные под очистные сооружения, имеют небольшие размеры.
Рис. 2. Схема очищения сточной воды
Осветление, производимое с помощью установок гравитационной флотации, позволяет заметно интенсифицировать этот процесс. В этом качестве могут быть использованы флотационные установки серии GD, также выпускаемые Nijhuis Water Technology. Такая цепочка физико-химической очистки позволяет очистить сточную воду со снижением до 85 % по ХПК, 96 % по БПК, и на 90 % удалить взвешенные вещества. С помощью такой установки также удаляются на 95 % фосфаты и поверхностно-активные вещества. Для извлечения соединений азота в эту технологическую линию добавляются или ионообменные установки избирательного действия, или же модули биологической очистки, включающие процессы нитрификации и денитрификации.
В таких технологических схемах, перед п ереходом на стадию физико-химической очистки, любые сточные воды должны быть осв о бождены от более крупных загрязнений. Поэтому они в обязательном порядке проходят стадию механической очистки. Затем, после реагентной обработки коагулянтами и флокулянтами, производится фазовое разделение выделенного осадка с очищен-н о й водой в установках флотации. Далее проводится стадия фильтрования, состоящая из трех ступеней, на первой из которых используются песчаные фильтры, адсорбционные установки и катионитные ионообменные фильтры, поглощающие растворенный аммиак и регенерируемые раствором хлорида натрия. Такая, более сложная схема очистки, позволяет провести снижение на 9 8 % по ХПК и взвешенным веществам, 97 % по БПК и азоту аммония, и на 93 % по фосфоросодержащим веществам.
В более сложных схемах очистки сточных вод сооружения физико-химической очистки работают в связке с установками механической и биологической очистки и применяются на разных стадиях этого процесса. Рассмотренные выше простейшие схемы могут применяться на локальных участках, где производится очищение концентрированных сточных вод, идущее с извлечением ценного сырья, а также предполагающее использование очищенной воды в системах оборотного водоснабжения.
Заключение. Вода сильно влияет на производство энергии и продуктов питания, объем промышленного производства и качество окружающей среды, влияя на экономику как развивающихся, так и промышленно развитых стран. Многие пресноводные водоносные горизонты загрязняются и изливаются в густонаселенных регионах - некоторые необратимо - или страдают от проникновения соленой воды вдоль прибрежных районов. К счастью, недавний всплеск активности в исследованиях по очистке воды дает надежду на смягчение воздействия загрязненных вод по всему миру. Обычные методы обеззараживания, дезактивации и опреснения воды
могут решить многие из этих проблем с качеством и снабжением.
Развитие науки о очистке воды может помочь в разработке новых технологий, подходящих для разных регионов мира. Тем не менее, огромное количество проблем, стоящих перед миром из-за отсутствия надлежащей чистой воды и санитарии, означает, что требуется гораздо больше работы для решения проблем, характерных для развивающихся стран, которые страдают от разнообразных социально-экономических, политических и традиционных ограничений. И требуют более широкого подхода, включающего устойчивые источники энергии и реализацию образовательных стратегий и стратегий наращивания потенциала.
Таким образом, эффективный контроль над водными патогенами в питьевой воде требует разработки новых стратегий дезинфекции, включая подходы с несколькими барьерами, которые обеспечивают надежное физико-химическое удаление (например, коагуляция, флокуляция, седиментация, а также среда или мембрана, фильтрация) наряду с эффективной фотонной или химической инактивацией.
TYPES OF PRECIPITATION AND MODERN METHODS OF WATER PURIFICATION
Dmitrieva T V.
Annotation: the problems of the modern world associated with the lack of drinking water of good quality, the ways of replenishment of fresh surface water due to precipitation and the causes of their pollution with harmful substances. Elements and their limiting content in water on which the regulating control of quality is carried out are presented. The methods of formation and composition of bottom and silt sediments in natural and waste waters are considered. A comparative analysis of biological and chemical-physical methods of wastewater treatment.
Key words: natural water and wastewater, precipitation, pollutants, wastewater treatment, biochemical and physico-chemical methods .
© Дмитриева Т.В., 2018
Дмитриева Т.В. Виды осадков и современные способы очистки воды //Вектор ГеоНаук. 2018. Т.1. №4. С. 42-47.
Dmitrieva T.V., 2018. Types ofprecipitation and modern methods of water purification. Vector of Geosciences. 1(4): 42-47.
