1.1 Вода и ее количество на земном шаре

Природа - целостная система с множеством сбалансированных связей. Нарушение этих связей приводит к изменениям в установившихся в природе круговоротах веществ и энергии. Развитие промышленности вызвало серьезные нарушения в круговороте ряда веществ, например диоксидов углерода, серы, азота и др. В настоящее время в результате большого количества отходов промышленного, сельскохозяйственного и бытового происхождения нарушаются условия, позволявшие природе в прошлом успешно справляться с утилизацией отходов с помощью бактерий, воды, воздуха, воздействия солнечного света.

Гидросфера - это водная оболочка Земли.

Вода - одно из наиболее важных веществ на Земле. Поистине Земля - это планета воды. Вода не только покрывает более 3/4 всей ее поверхности, не только парит над ней в виде облаков, но и наполняет живительной влагой сушу. Она обладает необыкновенными свойствами, благодаря которым является основой жизни на нашей планете. Количественно это самая распространенная неорганическая составляющая живой материи. У человека вода составляет 63 % массы тела, у грибов - 80 %, у некоторых медуз 98 % [1]. Все основные наземные экосистемы, включая человеческую, зависят от наличия пресной воды, содержащей менее 0,01 % солей. При исследованиях других планет солнечной системы, первое, на что обращается внимание, - это вода. Без воды жизнь существовать не может.

Семена растений, в которых содержание воды не превышает 10 %, представляют собой формы замедленной жизни. Такое же явление - ангидробиоз - наблюдается у некоторых видов беспозвоночных, которые при неблагоприятных внешних условиях могут потерять большую часть воды из своих тканей и сохранить жизнеспособность.

Биомасса на суше весьма чувствительна к количеству осадков, поскольку вода участвует в биологическом цикле и служит источником водорода и кислорода для живой материи.

Вода в природе находится в непрерывном круговороте - все время расходуется и возобновляется.

Таблица 1.1 Мировые запасы воды

Значительная роль воды на планете определяется ее физическими свойства - большой теплоемкостью, теплооборотом при фазовых преобразованиях, свойствами льда не тонуть в воде, ее отражательной способностью (так же, как снега) и другими. Все климатические изменения связаны с процессами в гидросфере и поэтому наблюдения за гидросферой служат базой, на основе которой ученые оценивают происходящие изменения в процессах глобального и регионального климата, обусловленные как естественными, так и антропогенными факторами.

К современной геологической эпохе на Земле образовалось огромное количество воды. Эти запасы не однородны как по составу, так и по расположению на поверхности планеты. Как видно из таблицы 1.1, более всего воды сосредоточено в Мировом океане (96,5 %). На остальные воды приходится всего 3,5 % (из них 2,35 % - на пресную воду) от общего ее количества на нашей планете. Основная масса пресной воды заключена в ледниках и постоянно залегающем снежном покрове (68 %), при этом большая часть ее накапливается ледниками Антарктиды (61,7 %). Значительный объем пресной воды хранится в водоносных слоях земной коры (30,1 %) и в подземных льдах многолетнемерзлых пород (0,86 %). В руслах рек ее сосредоточено всего 0,006 %, а в атмосфере - примерно в 10 раз больше (0,04 %). Если учесть запасы пресной воды в озерах, которые можно использовать, то их всего около 0,3 % от общих мировых запасов. Правда, эта вода возобновляется за относительно небольшое время: в руслах рек в среднем - за 16 дней, в атмосфере в среднем - за 8 дней. Запасы воды в озерах представляют собой ресурсы, возобновляемые за довольно большой период времени (за 17 лет), и их использование - взятие "кредита" у природы [1].

Особенно остро в настоящее время стоит вопрос о ликвидации последствий загрязнения и сохранении чистоты природных резервуарах воды на нашей планете. В последние же годы загрязнение в значительной степени коснулось и атмосферной воды. Теперь атмосферные осадки далеко не так уж чисты, как прежде, в начале и даже в середине XX в. Они способствуют "вымыванию" из атмосферы на земную поверхность отходов производства, поступивших в воздух из заводских и фабричных труб, и образуют "вторичное" загрязнение пресной воды гидросферы суши.

1.2 Загрязнение гидросферы

Для большинства видов потребления необходима пресная вода, а ее запасы составляют менее 3 % общего количества воды на Земле. Постоянный рост водопотребления - основные причины, вызывающие острый дефицит воды в ряде регионов. Все возрастающая роль водоемов в народном хозяйстве и прогрессирующее их загрязнение делают защиту водоемов одной из важнейших проблем санитарной техники. Разрешение ее является первоочередной задачей научно-исследовательских организаций и возможно только при условии всестороннего углубленного изучения всех взаимодействующих факторов.

Одним из весьма серьезных следствий загрязнения водоемов явилось резкое снижение их продуктивности по рыбе вообще и, в частности, по ценным ее породам. Ежегодный ущерб, наносимый рыбному хозяйству, по подсчетам соответствующих организаций достигает миллиарда рублей.

Весьма существенный ущерб наносится также коммунальному хозяйству и промышленным предприятиям, пользующимся водой открытых водоемов и вынужденным тщательно очищать эту воду. Расходы же по очистке воды, как известно, достаточно высоки даже в тех случаях, когда степень загрязнения исходной воды относительно невелика.

Такое следствие загрязненности водоемов, как ухудшение общего санитарного состояния в районах их расположения, не поддается денежному выражению.

Загрязнителями для водоемов являются не только не представляющие никакой товарной ценности отходы и отбросы производства, но и весьма ценные вещества, не всегда правильно относимые к неизбежным потерям производства. Так, например, более 0,5 млн. т нефти и нефтепродуктов в год, более 20 тыс. т в год ценнейшего отхода шерстомойных фабрик - ланолина, до 0,5 млн. т древесного волокна и около 3 млн. т сульфитных щелоков целлюлозно-бумажных фабрик; большие количества кислот, фенолов, никеля, меди: вольфрама и других веществ, сбрасываются со сточными водами химической и машиностроительной промышленности, цветной и черной металлургии в водоемы [2].

Загрязнения, поступающие в атмосферу, с осадками возвращаются на землю и попадают в водоемы и почву. Сточными водами предприятий промышленности и агропромышленного комплекса загрязняются реки, озера и моря. В них попадают отходы, содержащие соли различных металлов, удобрения, пестициды, моющие средства, масла и нефтепродукты, радиоактивные вещества и др. Считается, что в водоемы попадает свыше 500 тыс. различных веществ.

Тяжелые металлы - свинец, ртуть, цинк, медь, кадмий, попавшие в водоем, активно поглощаются животными и рыбами, которые или сами погибают, или отравляют людей, использующих их в пищу. Известны случаи отравления ртутью, которая попадала в организм людей вместе с рыбой.

Причиной теплового «загрязнения» водоемов является сброс нагретых вод из систем охлаждения (особенно водами тепловых электростанций), через которые проходит до 5 % от потребления промышленностью пресных вод. Однако этот показатель непрерывно возрастает. Тепловое «загрязнение» влияет на термический и биологический режим водоемов. Косвенное воздействие тепловой нагрузки на водные организмы приводит к увеличению их восприимчивости к заболеваниям, изменению растворимости газов и росту скорости реакции токсичных и других химических веществ в воде, благоприятствует замене обычной флоры водорослей менее желательными сине-зелеными водорослями.

Результатом несоответствия между количеством всех видов загрязнений, поступающих в водоемы, и способностью самоочищения этих водоемов явилось то, что большинство из них оказалось в той или иной мере загрязненными. Некоторые же наши реки, в том числе достаточно мощные, загрязнены настолько, что вода их не пригодна не только для питьевых и хозяйственных нужд, но даже и для технических целей. Такие водоемы, строго говоря, потеряли народнохозяйственное значение.

1.3 Состав и свойства сточных вод

Сточная вода - это вода, удаляемая после ее использования с территории населенного пункта или промышленного предприятия, где загрязнение изменяет первоначальный химический состав воды или ее физические свойства [3]. К сточным относят также загрязненные воды атмосферных осадков и воду от поливки улиц. Так называемая условно чистая вода часто удаляется непосредственно в водоем или возвращается для повторного использования.

В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные категории: бытовые (иначе хозяйственно-фекальные), производственные, атмосферные (ливневые) [3]. Они отличаются друг от друга своим происхождением, составом и биологической активностью. В настоящее время бытовые воды в чистом виде практически не встречаются, за исключением случаев канализования небольших населенных мест и объектов. Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные системы загрязняющих веществ, которые могут находиться в растворенном, коллоидном и нерастворенном состояниях. Независимо от вида сточных вод в них всегда присутствуют как органические, так и неорганические компоненты загрязнений.

Бытовые сточные воды образуются в результате практической деятельности и жизнедеятельности людей. Они поступают от жилых и общественных зданий и от бытовых помещений промышленных предприятий. По природе загрязнений они могут быть фекальные, загрязненные, в основном физиологическими выделениями людей, и хозяйственные, загрязненные всякого рода хозяйственными отбросами. Основную часть органических загрязнений бытовых сточных вод составляют белковые вещества, жиры, углеводы и продукты их разложения. Неорганическую часть загрязнений составляют соли, присущие питьевой воде и образующиеся в процессе обменных реакций в организме человека. В частности, к продуктам обмена веществ относятся фосфаты и аммонийные соли - продукт гидролиза мочевины. К неорганическим примесям сточных вод относятся также песок и глинистые частицы, попадающие в бытовые воды от мытья овощей и фруктов, уборки помещений и т. д. Загрязнения органической природы составляют 45--58% общей массы загрязнений бытовых сточных вод.

Особую категорию составляют биологические загрязнения: разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные, и яйца гельминтов. Эти загрязнения попадают в систему водоотведения с физиологическими выделениями людей, с водой от ванн и кухонь.

Отличительная особенность бытовых сточных вод -- относительное постоянство их состава, так как от каждого жителя в систему водоотведения поступает в среднем постоянное количество определенных загрязнений (г/сут).

В совокупности загрязнения бытовых сточных вод представляют собой полноценный субстрат для гетеротрофных бактерий, поэтому для их очистки, как правило, применяют биологические методы.

К производственным сточным водам относят воды, образовавшиеся при проведении различных технологических процессов, добыче полезных ископаемых, а также вода, прошедшая через загрязненную территорию промышленных предприятий и не пригодная для вторичного использования. Вода, используемая в технологических процессах, загрязняется в результате протекания различных химических реакций, при промывке сырья, продуктов и оборудования, а также при охлаждении последнего (охлаждающая вода). Кроме того, источниками сточных вод являются маточные водные растворы, водные экстракты, реэкстакты и адсорбенты, выделяющиеся из сырья при проведении технологических процессов свободная и связанная влага, вода, загрязненная в процессе эксплуатации различного оборудования (вакуум-насосов, систем гидрозолоудаления, конденсаторов смешения и др. )

Производственные сточные воды можно разделить на две основные категории: загрязненные и незагрязненные (условно чистые).

Загрязненные сточные воды обычно делят на три группы: загрязненные преимущественно органическими примесями, загрязненные преимущественно минеральными примесями и загрязненные смесью этих примесей.

Количество и состав производственных сточных вод зависит от ряда факторов: технологического процесса, режимов его поведения, состава сырья, промежуточных изделий и продуктов, выпускаемой продукции, состава исходной свежей воды и др.

При классификации химических загрязнителей воды [1] различают следующие пять групп: 1) биологические нестойкие органические соединения; 2) малотоксичные неорганические соли; 3) нефтепродукты; 4) биогенные соединения; 5) вещества со специфическими токсичными свойствами, в том числе тяжелые металлы, биологически жесткие неразлагающиеся органические синтетические соединения.

Следует указать, что производственные сточные воды содержат минеральные и органические соединения в самых различных сочетаниях.

Состав производственных сточных вод очень разнообразен и зависит от вида производства, а также от принятого технологического процесса.

Разнообразие состава и характера загрязнений производственных сточных вод обусловливает применение для их очистки различных методов, как химических и физико-химических, так и биологических.

Ливневые воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков. К ним относятся также талые воды, образующиеся при таянии льда и снега. Отличительной чертой ливневого стока является его эпизодичность и резкая неравномерность по расходу и качеству воды. Воды от поливки улиц, от фонтанов и дренажей по качественной характеристике загрязнений близки к ливневым и удаляются вместе с ними.

В составе ливневых сточных вод много песка, глины, мусора, нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Ливневые воды с территории

промышленных предприятий могут содержать специфические примеси, характерные для того или иного производства.

Степень загрязнения дождевых вод зависит от многих факторов, в том числе от общей санитарной обстановки населенного пункта, промышленной площадки. Мусор с проезжей части дорог содержит значительное количество органики, биогенов, нефтепродуктов, солей тяжелых металлов.

Загрязненность дождевого стока зависит от его расхода. При расходе менее 25 л/с^. га сточные воды практически не смывают загрязнений и поэтому загрязненность их минимальна. По мере увеличения расхода стока в нем растут концентрации взвешенных веществ, фосфора и азота, достигая максимума непосредственно перед пиком дождя. Через 30... 60 мин после начала дождя они стабилизируются и остаются практически постоянными до конца дождя. При повторном дожде наблюдается повторный пик загрязнений, хотя и значительно меньший, чем во время первого. Основная часть загрязненных дождевых вод поступает в канализацию в начале дождя.

Максимальные величины БПК воды наблюдается в летние месяцы, а осенью они снижаются почти в 2 раза. Для биогенных веществ характерен пик ранней весной и второй пик наблюдается осенью после листопада.

Качество и состав поверхностного стока с городской территории зависят от целого ряда трудно учитываемых и трудно прогнозируемых факторов. Большое разнообразие местных условий делает практически невозможным получение усредненных показателей качества поверхностного стока в целом. Приведенные в табл. 1.2 [3] данные о загрязненности дождевых вод с территории промышленных предприятий весьма приближенные. Удельный вес отдельных показателей в этом стоке определяется прежде всего видом производства. Высокие концентрации взвешенных веществ (4...6 г/л) характерны для металлургических заводов, предприятий строительных материалов, горнообогатительных комбинатов. Максимальные концентрации органических загрязнений наблюдаются в стоке с территории предприятий пищевой и легкой промышленности.

В специальной литературе часто фигурирует термин "городские сточные воды". Под городскими сточными водами понимают смесь всех трех видов вод при общесплавной системе канализации или бытовых и производственных при раздельной системе. На городских очистных станциях вода последовательно проходит сооружения механической, биологической очистки и дезинфицируется. Для обеспечения нормальной работы этих сооружений к городским сточным водам предъявляются ряд требований, выполнение которых обеспечивается постоянным контролем за сточными водами промышленных предприятий, подключенных к водоотводящей сети города.

Таблица 1.2 Степень загрязнения поверхностных вод с некоторых характерных территорий

1.4 Показатели качества сточных вод

Качество сточных вод в целом характеризуется разнообразными показателями, важнейшими из которых являются: температура, реакция среды, окраска, запах, прозрачность, наличие различных примесей, окисляемость, наличие соединений фтора, азота и токсичных соединений, ХПК и БПК. Показатели качества воды регламентируются ГОСТами.

1. Температура. Кроме влияния на процессы осаждения температура является также важным технологическим параметром биологических процессов очистки, так как от нее зависят скорость биохимических реакций и растворимость в воде кислорода, необходимого для жизнедеятельности микроорганизмов. Как правило, температура сточных вод выше, чем природных.

2. Окраска. Бытовые сточные воды, как правило, окрашены слабо. Интенсивная окраска показывает наличие производственных сточных вод, особенно от предприятий легкой промышленности, где в большом количестве используются разнообразные красители.

3. Запах. Запах бытовых стоков довольно характерен и представляет собой смесь запахов фекалий и разложения органических веществ. Запах производственных стоков весьма разнообразен и зависит от вида производства. Для сточных вод описание запаха наиболее важно при появлении новых, ранее не встречавшихся оттенков, а также при резком возрастании интенсивности запаха, что свидетельствует о залповом сбросе концентрированных сточных вод отдельными производствами.

4. Прозрачность - показатель степени общей загрязненности воды. Прозрачность городских сточных вод обычно не превышает 3--5 см. Сточные воды после биологической очистки имеют прозрачность более 15 см.

5. Сухой и плотный остатки. Сухой остаток сточных вод определяют из натуральной (нефильтрованной) пробы, поэтому он является показателем суммарного содержания загрязнений во всех агрегатных состояниях.

Плотный остаток определяется из фильтрованной пробы и показывает содержание веществ в коллоидном и истинно растворенном состоянии. В сточных водах, поступающих на сооружение биологической очистки, плотный остаток не должен превышать 10 г/л, так как жизнедеятельность микроорганизмов в более минерализованной среде нарушается.

6. Взвешенные вещества - одна из важнейших характеристик состава сточных вод. Этот показатель используется для расчета первичных отстойников и для определения количества образующихся осадков.

Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах составляет 100-500 мг/л. С достаточной степенью точности этот показатель может быть определен как разность сухого и плотного остатков.

7. Оседающие вещества - часть взвешенных веществ, которые оседают на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. Длительность отстаивания, равная 2 ч, определена на основании экспериментальных наблюдений, которые показали, что дальнейшее увеличение продолжительности процесса практически не изменяет результата, достигнутого за это время. В городских сточных водах оседающие вещества составляют 65--75 % взвешенных веществ по массе [1].

8. Потери при прокаливании, зольность твердых примесей. Для многих технологических целей нужно знать содержание органической и минеральной частей твердой фазы воды. В этом случае высушенная твердая фаза любого определения (взвешенных веществ, оседающих веществ, сухого или плотного остатка) подвергается прокаливанию. Прокаливание проводят при температуре "красного" каления (500--600 °С). Выгорают, т. е. улетучиваются в виде оксидов, углерод, водород, азот, сера и другие примеси. Остаток, называемый золой, после охлаждения взвешивают. Результаты выражают либо в абсолютных цифрах, либо в процентах. Потери при прокаливании -- это абсолютное количество улетучившихся примесей; показатель выражается в мг/л. Зольность -- отношение массы остатка после прокаливания к массе первоначально взятого твердого образца, выражается в процентах. Зольность взвеси городских сточных вод обычно находится в пределах 25--35 %.

9. Соединения азота и фосфора. При анализе сточных вод определяют азот общий, аммонийный, нитритный, нитратный. Показатель "азот общий" определяет содержание в воде органического и неорганического азота. Окисленные формы азота в неочищенных городских водах отсутствуют и появляются только в случае глубокой биологической очистки сточных вод.

10. Сульфаты и хлориды. Концентрация сульфатов в городских сточных водах обычно находится на уровне 100-150 мг/л, хлоридов -- 150--300 мг/л [1].

В сооружениях аэробной очистки эти показатели не претерпевают каких-либо изменений и их количество не имеет существенного значения, если общее солесодержание не превышает установленного предела. Концентрацию хлоридов важно знать при определении ХПК, так как хлориды окисляются бихроматом калия до молекулярного хлора. Поэтому при концентрации хлоридов более 200 мг/л требуется их предварительное осаждение или введение поправки к результату анализа ХПК.

11. Синтетические поверхностно-активные вещества. СПАВ -- группа химических соединений, присутствие которых в сточных водах особенно угрожает санитарному состоянию водоема (водоприемника) и резко отрицательно сказывается на работе очистных сооружений. Появляются СПАВ в сточных водах в результате широкого применения их в быту и промышленности в качестве моющих средств, а также смачивающих, эмульгирующих, выравнивающих, дезинфицирующих препаратов. Наибольшее применение СПАВ находят в нефтяной, текстильной и кожевенной промышленности. В бытовых моющих средствах содержание активного агента достигает 20--30 %.

Присутствие СПАВ в сточных водах снижает способность взвешенных веществ к оседанию, тормозит биохимические процессы, способствует возникновению пены в сооружениях и водоемах. Наличие СПАВ в водоемах ухудшает процессы их самоочищения от остаточных загрязнений, вносимых с очищенными водами. Содержание анионных СПАВ в природной воде допускается не более 0, 5 мг/л.

12. Токсичные вещества. К группе токсичных элементов относятся тяжелые металлы: железо, никель, медь, свинец и цинк, а также мышьяк, сурьма, бор, алюминий, хром.

Особенно важно контролировать содержание этих элементов в производственных сточных водах, поступающих на сооружения биологической очистки. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) этих элементов очень низки.

Кроме неорганических соединений в некоторых видах производственных сточных вод оказываются токсичные органические примеси, такие, как нефтепродукты, фенолы, красители и т. д. Допустимые концентрации этих веществ, не нарушающие работу очистных сооружений, также регламентируются "Правилами приема производственных сточных вод в системе канализации населенных пунктов".

1.4.1 Условия растворения и потребления кислорода

Всякое органическое вещество при наличии кислорода воздуха и под воздействием микроорганизмов-минерализаторов окисляется. Органическое вещество в сточной воде, попадающее в водоем, подвергается биохимическому окислению. Скорость этого процесса зависит в первую очередь от наличия свободного кислорода, содержащегося в сточной воде и в водоеме. Кислород пополняется вновь в основном с поверхности водного зеркала за счет диффузии из воздуха. Процесс биохимического аэробного окисления, т. е. в присутствии кислорода, имеет две фазы: в первой фазе окисляются углеродсодержащие вещества, выделяя углекислоту и воду; во второй - окисляются азотсодержащие вещества, сначала до солей азотистой кислоты, а затем до солей азотной кислоты - нитратов. Эта фаза носит название нитрификации. Если кислорода достаточно, то процесс окисления в первой углеродистой фазе подчиняется определенному закону, а именно: скорость окисления (или скорость потребления кислорода) при одинаковой температуре в каждый момент времени пропорциональна количеству остающихся в сточной воде органических веществ. Чем меньше остается в воде органических веществ, тем медленнее идет процесс окисления.

Скорость растворения кислорода в каждый данный момент обратно пропорциональна степени насыщенности воды кислородом или прямо пропорциональна его дефициту.