Защита биосферы от загрязнений

  Хлор, гипохлорит   Гидросульфит

  Перекись  водорода  Диоксид серы

  Перманганат калия  Сероводород

 

  Одним из важнейших окисляющих агентов  является хлор, поэтому большинство  химических операций со сточными водами начинается с хлорирования, чтобы  высокотоксичный хлор к концу  реагентной обработки полностью  удалялся из воды. Окислительно-восстановительные реакции используются для превращения токсичных веществ в безвредные.

  3. Биохимическая очистка

  а) Аэробная биохимическая очистка – минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков, происходящая в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода:

  С₆Н₁₂О₆ + 6O₂ = 6СО₂ + 6H₂O.

  Было установлено, что органические вещества омертвевших организмов разрушаются под действием бактерий, если для последних созданы соответствующие условия, т. е. своевременно подается кислород и среда-носитель оказывается благоприятной для развития микроорганизмов. В качестве среды-носителя был выбран песчаный слой толщиной 1,5 м. Доступ кислорода обеспечивается с помощью вентиляции или путем естественной тяги. Сточные воды сливаются на грунт только в течение 6 часов, а остальные 18 часов отводятся на биохимические процессы. Культура микробов развивается в верхних слоях песка.

  Этот  метод очистки, названный методом  капельной фильтрации, впервые использован  в прошлом веке (1866 г.) в Лондоне. Метод позволяет при использовании 1 га песчаной почвы очистить 1,038·10⁶л/с. сточных вод, следовательно, Лондону в 1866г. для очистки 1,57·10⁹л/с. сточных вод необходимо было иметь 810 га подходящих земель. Это слишком большая площадь.

  Усовершенствование  метода капельного фильтра – перполяционный фильтр – разбрызгивание сточных вод на пласт щебня. Наиболее широко система с перполяционным фильтром стала применяться, когда были достигнуты успехи в области получения пластмасс с заданными свойствами. В современных системах очистки накопление бактериального материала осуществляется на пластмассовых дисках, смонтированных на вращающейся оси. Диски наполовину погружены в сточные воды, по мере их вращения бактерии периодически снабжаются питательной средой и кислородом. Сейчас метод капельного фильтра используют только при условии дешевой земли и мягкого климата.

  Наиболее  универсальным способом обработки  сточных вод является обработка  активным илом. Сточные воды смешивают  с илом, образовавшимся в результате предварительного окисления вод, поэтому  способ и получил такое название.

  Как известно, ил представляет собой огромную популяцию различных бактерий, грибков и другой флоры, добавление которой к сточным водам приводит к быстрому установлению равновесия, способствующего разложению органических веществ, в результате которого образуются СО₂ и Н₂О. По существу авторы нового способа обработки изменили естественный биологический цикл таким образом, что скорость потребления питательного вещества (т.е., скорость разложения органического вещества) увеличилась на несколько порядков. Дальнейшее усовершенствование этого способа связано с разработкой методов надлежащего ухода и питания используемой популяции микроорганизмов.

  Активный  ил представляет собой аморфный коллоид  с поверхностью 100 м²/г сухого вещества, имеет вид буро-желтых мелких хлопьев размером 3–150 мкм, взвешенных в воде. B 1 г сухого ила содержится от 10⁸ до 10¹² штук бактерий. При этом определенный вид бактерий способен окислять определенные вещества.

  Бактерии, входящие в состав активного ила, способны перерабатывать только те сточные воды, из которых сформировался этот активный ил. Поэтому, если в состав очищаемых промышленных стоков будут введены новые вещества, например при изменении технологии производства, то потребуется время, чтобы бактерии, способные окислить именно эти вещества, размножились в достаточном количестве и смогли обеспечить наилучшую очистку.

  Иногда  даже приходится завозить на вновь  создаваемое предприятие активный ил с другого предприятия, где  очищаются аналогичные по составу  воды и где в активном иле распространены нужные виды бактерий.

  Обычно  концентрацию активного ила поддерживают равной 2–4 г/л. В ходе очистки активный ил время от времени выводят из очистных сооружений, так как его  количество растет. Часть его при  этом используется в качестве ценного  удобрения, если нет тяжелых металлов, часть стабилизируют, т. е. обрабатывают избытком кислорода для удаления всевозможной органики, предотвращая таким образом гниение. Часть поступает на анаэробное разложение. Аппаратура для аэробной биохимической очистки представляет собой так называемый аэротенк, или окситенк (рис. 4.5).

  

  б) Анаэробная биохимическая очистка. В случае, если БПК намного выше нормы, а также для удаления избытка  активного ила и отходов сельскохозяйственных продуктов применяют анаэробную биохимическую очистку в метантенках (реактор с мешалкой и теплообменником). При этом источником кислорода в воде служат группы кислородосодержащих анионов: NO ; SО ; CO .

  В основе метанового брожения лежит способность сообществ определенных микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более простых, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту.

  Процесс окисления–восстановления – это  переход электронов от субстрата-донора к конечному акцептору. Для аэробной реакции конечным акцептором является кислород, а при ферментации (анаэробной очистке) – органическое соединение, образующееся в результате «простого перемещения» водорода из одной органической молекулы в другую:

  С₆Н₁₂О₆ = ЗСН₃СООН + 15 ккал;

  2СН₃СООН = 2СН₄ + 2СО₂.

  Образующийся  газ состоит из метана (65%) и СОз (33%) и может быть использован для  нагрева до 45–55°С в самом метантенке, где происходит анаэробное брожение. Сброженный осадок имеет высокую влажность (95–98%), его уплотняют, сушат, затем используют в качестве удобрения или, если есть токсичные примеси, сжигают;

  Однако  не всякие сточные и природные  воды могут быть очищены биохимическими методами. Нормы на содержание вредных веществ в сточных и природных водах, поступающих на биологические очистные сооружения, по некоторым металлам следующие: А1³⁺ – 5 мг/л; Fе³⁺ – 5 мг/л; Сr⁶⁺ – 0,1 мг/л; Mg²⁺ – 1000 мг/л.

  Не  все органические вещества разлагаются  на станциях биохимической очистки. Так, практически не разрушается  бензин, красители, мазут и др. Эффективность  биохимической очистки на самых  современных установках составляет 90% по органическим веществам и лишь 20–40% – по неорганическим, т. е. практически не снижается солесодержание. Не могут быть очищены воды, содержащие более 1000 мг/л фенолов, 300–500 мг/л спиртов, 25 мг/л нефтепродуктов, т. е. для многих случаев эти методы не эффективны. В среднем эффективность анаэробного метода составляет около 40%. Сравнительная оценка очистки сточных вод различными методами представлена в табл. 4.2.

 

  

 

  Процессы  анаэробной очистки проводят в специальных  метантенках при температуре 30–55°С, выделяющийся метан СН₄ может быть использован для нагрева метантенка.

  Например, в США при анаэробной очистке  сточных вод животноводческого  комплекса (500 голов свиней) за счет сжигания метана после анаэробной очистки  комплекс не только обеспечивает себя электроэнергией, но иногда в летнее время может даже продавать ее. Образующиеся после анаэробной очистки сточные воды могут быть использованы для выращивания специальных одноклеточных водорослей типа хлореллы, которые в дальнейшем могут быть использованы на корм скоту. Цикл оказывается замкнутым.

  Необходимо  искать такие способы ликвидации отходов, которые дают возможность  получать полезные продукты, например, дрожжи для выпечки хлебо-булочных изделий и для производства этилового  спирта или для превращения отходов, образующихся при переработке древесной пульпы, в полезный продукт.

  4. Обеззараживание воды

  Последней стадией подготовки воды для питьевых и других нужд является ее обеззараживание, т. е. избавление от болезнетворных микроорганизмов, так как хорошо известно, что через  воду могут распространяться такие страшные заболевания, как холера, брюшной тиф, инфекционный гепатит и др. Многие годы обеззараживание воды осуществляли с помощью обработки ее хлором. Однако стало известно, что полихлорированные бифенилы являются ядами, их находят в основном в жирах. Окисляясь, они образуют абсолютные яды – диоксины. Летальная доза диоксинов в организме для свиней, которые являются тест-объектами, – 10 мкг/кг их веса. Но эту дозу можно набрать и постепенно. Это привело ученых к выводу, что хлорирование может быть вредным. Во многих странах в 80-е годы перешли к обработке воды фторированием, но оказалось, что оно тоже вредно. Поэтому во всем мире и в России тоже отдают предпочтение обработке воды озонированием.

  Биологическая очистка не может обеспечить обессоливания сточных вод. Как известно, вода питьевого качества должна содержать не более 1000 мг/л солей, из них: хлоридов – 350 мг/л, сульфатов – 500 мг/л. Необходимую в технических целях пресную воду получают методами выделения солей из сточных и природных вод.

  5. Специальные методы очистки воды

  Существует  много специальных методов выделения  солей из природных и сточных  вод.

  а) Дистилляция (выпаривание) – хорошо освоенный и широко применяемый  метод. Мощность выпарных установок  составляет 15–30 тыс. м³ в сутки. Одни из самых мощных выпарных установок располагаются на предприятиях атомной энергетики, где необходимо опреснение морской воды, например, в г. Шевченко (реактор на быстрых нейтронах). Основным недостатком этого способа является большой расход энергии – 0,020 Гкал/т. Геоопреснительные установки невелики по мощности (< 20 м³/с.), а стоимость опреснения велика.

  б) Вымораживание. При медленном охлаждении соленой воды из нее в первую очередь  выделяются кристаллики льда, практически  не содержащие солей. По сравнению с дистилляцией вымораживание имеет энергетические, технологические, конструкционные преимущества.

  в) Мембранный метод. Это электродиализ  и гиперфильтрация, или обратный осмос. Электродиализ – современный  метод деминерализации и концентрирования растворов. Основан на направленном переносе ионов диссоциированных солей в поле постоянного тока через ионселективную мембрану из естественного или синтетического материала. Схема электродиализа представлена на рис. 4.6. За рубежом этот метод получил широкое распространение для обессоливания морской воды. Например, установка в Ливии на 20 тыс. м³/с., в США – на 400 тыс. м³.

 

  

 

  Метод обратного осмоса – это процесс  разделения водных растворов путем  их фильтрования через полупроницаемую  мембрану под действием давления выше осмотического (до 6–8 МПа).

  Процесс характеризуется небольшими энергозатратами. За рубежом освоено производство установок производительностью  до 1 тыс. м³/с. У нас работают установки меньшей мощности, но есть разработки и проекты на большие мощности. Основные трудности этих методов – в создании полупроницаемых мембран и давления.

  г) Ионный обмен. Метод широко применяется  во всех странах мира. До настоящего времени этот метод является основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысокого и критического давления. Кроме того, метод ионного обмена широко используется в водооборотных циклах на предприятиях для концентрирования и извлечения из сточных вод ценных компонентов (например, тяжелых металлов).

  Основной недостаток общепринятых технологических схем ионного обмена – избыток растворов солей после регенерации ионообменных фильтров. Велик расход воды на собственные нужды (20–60% от производительности). Существует необходимость удаления органических веществ, чтобы избежать отравления ионитами. Поэтому ионный обмен с большим допущением можно назвать методом обессоливания сточных вод, скорее это технологический прием получения воды высокой степени очистки.