Водоподготовка, водоочистка воды - снижение концентрации вещества до норм ПДК

ВОДОПОДГОТОВКА (водоочистка) - комплекс технологических процессов обработки и очистки воды для приведения ее качества в соответствие с требованиями потребителей. Основные процессы рассмотрены ниже. Кроме того, при водоподготовке из воды могут удаляться Mn, F, синтетические моющие и красящие вещества, пестициды, радиоактивные элементы, улучшаться бактериологические свойства. Водоподготовку проводят на специальных станциях, производительность которых может составлять от нескольких м³/сут до млн. м ³/сут.

Проблема чистой пресной воды

В процессе жизнедеятельности человека образуется загрязненная вода, однако для нормального существования человек должен потреблять чистую, пресную воду, удовлетворяющую требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения».

Основные «загрязнители» можно разделить на природные и техногенные.

Природные загрязнения. С природными загрязнителями бороться сложно, их существование естественно: высокоминерализованные источники, разливы нефти как естественные так и техногенные.

Техногенные загрязнения. Техногенные (антропогенные) загрязнения – загрязнения сделанные человеком в результате жизнедеятельности или в ходе аварийной ситуации. Основными загрязнителями являются как показано на схеме:

1. Сельское хозяйство

2. Текстильная отрасль промышленности, целлюлозо-бумажные комбинаты

3. Отрасли нефтедобывающего и нефтеперерабатывающего комплексов

4. Металлургические предприятия, комплексы обработки и производства конечного продукта, ГОК

5. Химическое производство

6. < >Полигоны бытовых отходов

7. < >Полигоны промышленных отходов

1. Сельское хозяйство как источник загрязнения

·  Пестициды и продукты их распада. Данный вид химикатов изначально является ядом и создан специально, чтобы убивать насекомых, грибки и бактерии. При этом его систематическое использование помимо уничтожения вредителей культурных растений также попутно убивает значительную часть других безвредных организмов — от бактерий и насекомых до животных и птиц, живущих в почве или на грунте. Мало того, что этим значительно обедняется животный мир полей, гибель микрофауны также приводит к замедлению естественных процессов разложения органических остатков и превращения их в питательные элементы для растений. Кроме того, обильное использование пестицидов приводит к их просачиванию в грунтовые и поверхностные воды. Наконец, из-за того, что небольшое количество пестицидов неизбежно всасывается растениями, имеет место также и загрязнение сельскохозяйственной продукции.

·  Тяжелые металлы. Низкокачественные фосфорные и другие синтетические удобрения могут содержать в своем составе некоторое количество тяжелых металлов, в частности кобальта, кадмия, цинка и других. Эти вещества не так губительны для экосистемы в целом, как пестициды, но наносят сильный урон здоровью животных и людей, которые едят растения, выращенные на загрязненной тяжелыми металлами земле.

·  Нитраты. Их источник селитра, активно используемая в качестве удобрения и стимулятора роста растений. Вообще-то нитраты содержаться в любой растительной пище изначально, однако фрукты и овощи, выращенные на нитратных удобрениях, содержат их избыточное количество, что уже довольно опасно для человека. Наличие нитратов в грунте опять-таки не представляет большой угрозы для экосистемы в целом, но является потенциально нежелательными ввиду указанного выше. Также попадание этих веществ в наземные водоемы ускоряет процессы их заболачивания.

· Стоки животноводческих комплексов. Сельскохозяйственное загрязнение почв не ограничивается агрохимией. Животноводческие комплексы тоже вносят свою лепту. Считается, что навоз — это лучший вид удобрений, поскольку он полностью натурален и безопасен для экологии. Тем не менее, чрезмерно большие объемы навоза и жидких стоков вносят значительный дисбаланс в локальную экологическую систему. Особенно опасно попадание этих стоков в водоемы и подземные воды, так в этом случае возникает эпидемиологическая опасность для населения прилегающих населенных пунктов. Опасность от загрязнения местности стоками животноводческих комплексов многократно возрастает, если животных кормят синтетическими добавками и антибиотиками, продукты распада которых содержаться в отходах жизнедеятельности животных.

Характерными веществами загрязнителями сельско-хозяйственного комплекса являются:

кобальт

кадмий

цинк

Нитраты

Пестициды (продукты распада) с производными

- мышьяка арсенит натрия, мышьяковистый ангидрид, арсенат кальция, парижская зелень,

- фосфора (ФОС – фторорганические соединения) (хлорофос, Метафос, дихлофос, метилмеркаптофос, фталофос)

- ртутьорганические соединения (РОС) Гранозан (применяется перед посевом зерновых, бобовых), < >Меркуран (комплекс ядохимикатов),  этилмеркурхлорида,

- хлорорганические соединения (ХОС) гексахлорбензол, ГХЦГ< > γ-изомер гексахлорциклогексана]

ДДТ (1,1,1-трихлор-2,2-бис(4-хлорфенил)этан по номенклатуре ИЮПАК, по рациональной номенклатуре — трихлорметилди(потохлорфенил)метан) — инсектицид

2. Текстильная (легкая) промышленность загрязнение водных объектов, целлюлозо-бумажные комбинаты

С точки зрения водопотребления легкая промышленность относится к числу лидирующих отраслей. Например, в Европе только на долю текстильной отрасли приходится до 5% всей воды, потребляемой в промышленности (Durig, 1981). Основное негативное влияние легкая промышленность оказывает на водный фонд: загрязнение стоками поверхности водных объектов: рек, водоемов, озер, по причине сброса неочищенных стоков в поверхностные водные объекты.

Загрязнение воды при работе текстильных предприятий в основном связано с промывкой тканей, их окраской и отделкой.

Большое негативное воздействие на водоемы имеют текстильные комбинаты и фабрики по дублению кожи. Сточные воды предприятий включают в себя соединения азота и фосфора, сульфаты, хлориды, нитраты, формальдегиды и другие опасные вещества.

У подавляющего большинства российских водных объектов качество воды не отвечает нормативам и требованиям. Объем очищенных стоков, отвечающих нормативным требованиям, составляет менее 10% от общего количества. Такая неэффективная очистка происходит в результате перегруженности и устаревания имеющихся очистных сооружений.

Характерными веществами загрязнителями текстильного комплекса являются:

Азота

Фосфора

Сульфаты

 Хлориды

 Нитраты

 формальдегиды

загустители

глауберова соль

крахмал

(ПАВ) поверхностно-активные вещества

гидрооксид натрия

дисперсные и катионные красители

 сернистые красители

дихромат калия

Помимо веществ, используемых в окрасочно-отделочных операциях, существенную долю загрязнений в сточных водах составляют химикаты, не использующиеся в процессе производства. Сюда относятся моющие вещества для машин и аппаратов, химикаты для очистки котлов, биоциды, инсектициды.

Характерными веществами загрязнителями текстильного комплекса являются:

Немалый вклад в загрязнение рек вносили и целлюлозно-бумажные комбинаты. "Река < >Вихорева и Усть-Илимское водохранилище загрязняются стоками Братского лесопромышленного комплекса

метилмеркаптан

фенол

 Формальдегид

, метанол

, скипидар

Меркаптан

 лигнин .

3.Отрасли нефтедобывающего комплексов и нефтеперерабатывающего сектора

Одним из серьёзных загрязнителей окружающей среды является нефтяная промышленность. Нефть в современном мире является одним из самых востребованных веществ, которое продолжает технологический процесс и облегчает жизнь людей, однако она является крупнейшим загрязнителем природно-антропогенной системы. Нефть занимает лидирующие позиции на мировом рынке топлива, её добывают в 80 странах мира, 40 % добываемой нефти поступает на рынок. Крупнейшими производителями нефти являются Венесуэла, Канада, Иран, Ирак, Кувейт, ОАЭ, Россия, Ливия, Нигерия, США. По статистическим данным за 2016 год, на конец 2015 года лидером по доказанным объёмам запасов нефти является Венесуэла, на которую приходится 47 млрд тонн запасов нефти или 17.7 % мировых запасов. На Российскую Федерацию приходится 6.0 % мировых запасов (14 млрд тонн). Всемирный объём доказанных запасов нефти на конец 2015 года составил 239.4 млрд тонн. На страны-члены ОПЕК пришлось в 2015 году 71.4 % доказанных мировых запасов. Основная часть мощностей нефтеперерабатывающей промышленности сосредоточена в развитых странах, в том числе в США — 21 %, в Западной Европе — 20 %, Японии — 6 %. На долю России приходится 17 %.

Характерными загрязнителями для нефтепромышленного комплекса являются:

Нефтепродукты из производные с различным молекулярным весом от малых, до самых вязких, инфильтрация которых может проходить достаточно долго с постепенно увеличивать своё «присутствие» в пресное воде, процесс инфильтрации может составлять от нескольких дней до нескольких десятилетий. Потому к загрязнителям нефтепродуктами нужно относиться максимально строго и ответственно, чтобы исключить последующее заражение местности.

Нефтепродукты представляют собой смесь углеводородов, различающихся размером молекул. Также к нефтепродуктам относят отдельные химические вещества, которые могут быть получены при переработке нефти и сопутствующего газа. Среди нефтепродуктов выделяют виды топлива, такие как дизельное топливо, сжиженный нефтяной газ, бензин и керосин, а также некоторые другие вещества, которые могут использоваться в качестве топлива, растворители, смазочные материалы, сырье для химической промышленности. Продуктами нефтепереработки также являются асфальт, парафин, вазелин, гудрон, мазут и пластмассы. Нефтепродукты получают в процессе перегонки нефти, когда, в зависимости от температуры, от нефти отделяются молекулы углеводородов, имеющие определенный вес и размер, переходя в пар.

Доля загрязнения нефтепродуктами имеет приблизительное распределение:

Данные последних проведенных исследований говорят, что только за счет миграционного просачивания в морскую среду ежегодно попадает от 0,2 до 2 миллионов тонн нефти, что равно примерно половине всего нефтяного потока, который вливается в Мировой океан.

Загрязнение при бурения и последующей эксплуатации морских скважин, т.е. при добыче  нефти менее 0,2 процента

Загрязнение при морской транспортировке нефти посредством танкеров и подводных трубопроводов загрязняет морскую среду по разным исследованиям от 15 до 20 процентов от общего нефтяного загрязнения из всех источников.

Загрязнения на станциях перекачки, перевалки, грузовых терминалах составляют от 5 до 10 процентов, причина является чисто техногенной: аварий на береговых нефтяных терминалах и в процессе перекачке нефтепродуктов посредством подводных трубопроводов

Также следует констатировать печальную статистику потерь при водной транспортировке, которые при аварийных разливах нефти и нефтепродуктов в процессе танкерных перевозок составляют примерно 85 процентов всех транспортных потерь. Данный показатель с каждым годом снижает, технологии транспортировки становятся все более надежными и экологически безопасными, т.к. стоимость потерь значительна, поэтому операторы обслуживающие данные перевозки стремятся сократить издержки на потери и ликвидацию экологических последствий.

Загрязнение водных объектов малыми объемами  при утечке происходят, которые поддаются быстрой ликвидации. К примеру, в 2010-ом году всего произошло 12 тысяч разливов, и 85 процентов из них – это утечки объемов менее 7-ми тонн. Однако, именно такие постоянные небольшие разливы создают устойчивые загрязняющие радужные пленки в местах наибольшего трафика транспортировки и в местах нефтедобычи.

37 процентов таких загрязнений попадает< >> в водную среду без аварий. Это связано с экологическим несовершенством существующих технологий нефтепереработки, в результате чего загрязняющие продукты попадают в окружающую среду через бытовые и промышленные стоки.

Загрязнение при атмосферном переноса в крупнейшие водоемы Земли (реки, моря и < >океаны) попадает примерно 5 процентов всех нефтяных загрязнений, поскольку в атмосфере (по сравнению с почвами, донными отложениями и водой) содержится сравнительно немного загрязняющих веществ. Однако, большая скорость перемещения воздушных масс  делает атмосферный перенос важным каналом, посредством которого вредные продукты попадают на морскую поверхность. Таким образом возможен перенос любого химически устойчивого вещества или материала.

Характерными веществами загрязнителями нефтехимического комплекса являются:

• бензины;
• < >промежуточные< > дистилляты:

• дизельное топливо;
• керосин;
• газотурбинное топливо.
• газойль;
• котельное топливо (мазуты);
• гудрон;
• < >< >нефтяные масла.

4. Металлургические предприятия, комплексы обработки и производства конечного продукта, ГОК

Загрязнение ГОКами (горно-обогатительными комбинатами)

Помимо разработки месторождения экологический ущерб от ГОКа наносится и водным объектам по нескольким каналам:

· Водные объекты поверхностного стока: реки, озера, пруды

· Подземные воды незащищенного водоносного горизонта – грунтовые воды

· Подземные воды централизованных водоносных горизонтов путем инфильтрации через области питания.

Главный риск существования ГОКов. «Основным источником загрязнения окружающей среды являются отвалы пустых пород и некондиционных руд, содержащие в основном пирит, а также халькопирит и сфалерит. При фильтрации атмосферных осадков в кислородной среде сульфиты окисляются с обогащением подземных вод техногенного горизонта железом и сульфатами, медью, цинком, серной кислотой. Последняя растворяет и разрушает алюмосиликаты в породах, насыщая подземные воды алюминием, железом, кальцием, магнием, тяжелыми металлами. За счет этого минерализация подземных вод возросла до 25-41 г/дм3, они стали сильнокислыми, железистыми (Fe>100 мг/дм3) и ультрасульфатными».

Также в исследовании отмечается, что «существенное влияние на геоэкологическую обстановку оказали карьеры и отвалы».

 «Воздействие эмиссий Костомукшского горно-обогатительного комбината на лесные подстилки сосняков в северотаежной подзоне Карелии».

Вообще большая часть рисков ГОКа связана с попаданием химии в воду, но это исследование озабочено переносом вредных веществ по воздуху и загрязнения окружающих лесов, далее в по лесным рекам в водные объекты и водоносные горизонты.

Из рисунка 5 видно, что в 15-километровой зоне содержание многих тяжелых металлов находится на уровне ПДК или превышает его.

Отмечается, что техногенная пыль переносит с собой тяжелые металлы и поступает в водные объекты вместе с атмосферными осадками и далее инфильтрация в водоносные горизонты, причем «по сравнению с почвой атмосферная пыль техногенного происхождения на порядок больше обогащена тяжелыми металлами». в лесных подстилках тяжелых металлов, относящихся к умеренно- и слабоопасным загрязнителям: Co, Ni, Cu, Cr, Mn, Fe.

Характерными веществами загрязнителями нефтехимического комплекса являются:

Никель

Кобальт

Медь

Хром

Марганец

Железо

Алюминий

Бор

Барий

Прочие редкоземельные, тяжелые и/или специфические радиоактивные элементы, которые могут быть специфичным для каждого ГОКа в отдельности.

Как правило при работе ГОКов, МК (металлургических комбинатов) образуются значительное количество сточных вод, ПДК стоков должно строго контролироваться. Время от времени происходят залповые сбросы вредных веществ в окружающую среду с последующим накоплением в близлежащей биосфере.

Вместе со сточными водами сбрасываются значительные количества загрязняющих веществ, в т.ч. взвешенные частицы, сульфаты, хлориды, соединения железа, тяжелых металлов и т.п. По данным аэрокосмической съемки снежного покрова, зона действия предприятий черной металлургии просматривается на расстоянии до 60 км от источника загрязнения. В атмосферу, водоемы и почву в мире ежегодно выбрасывается больше 3 млрд. т твердых промышленных отходов, 500 км3 опасных стоков и около 1 млрд. т аэрозолей, разных по крупности частиц и химическому составу. Номенклатурный состав ядовитых загрязнений содержит более 800 веществ, в т.ч. мутагены, влияющие на наследственность;

Методы и схемы очистки воды

В зависимости от степени и характера загрязнения используют различные методы очистки сточных вод: механические, химические и биологические.

Механические методы – удаление грубых примесей осуществляется с помощью решеток, сит, фильтров, отстойников, нефтеловушек. Таким образом удается избавиться от нерастворимых примесей из бытовых стоков – до 60%, из промышленных – до 95%.

Химические методы – добавление реагентов для образования осадков из растворов.

Биологические методы бывают двух видов.

В искусственных условиях – это биофильтры, состоящие из кирпича или бетона (главное – пористость материала). На них нанесена пленка из бактерий и простейших, которые в процессе жизнедеятельности поедают и разлагают органические вещества.

В естественных условиях – это специальные поля орошения или поля фильтрации. Создается сеть каналов и площадок, окруженных земляными валами. Каналы и площадки периодически заполняются сточными водами. Под действием солнечного света, воздуха, микроорганизмов воды очищаются и просачиваются в грунт. На поверхности площадок образуется перегной. Через несколько лет после прекращения слива сточных вод поля фильтрации используют для выращивания трав, кормов, овощей.

Осветление.

Вода поверхностных (открытых) источников, как правило, содержит крупнодисперсные и коллоидные минер. и орг. примеси, обусловливающие ее цветность. Для их удаления воду обрабатывают коагулянтами [A1₂(SO₄)₃, FeSO₄, FeCl₃] и флокулянтами (полиакриламидом, активной H₂SiO₃ и др.). Образовавшуюся хлопьевидную массу, состоящую в осн. из гидроксидов А1 и Fe и примесей, выделяют из воды в отстойниках или спец. осветлителях (осадок в них поддерживается во взвешенном состоянии потоком поступающей снизу воды), напорных или открытых фильтрах и контактных осветлителях с загрузкой из зернистых материалов (кварцевый песок, дробленый антрацит, керамзит, < >шунгизит и др.), а также во флотаторах, гидроциклонах, намывных фильтрах. Для частичного удаления крупнодисперсных примесей и фитопланктона, образующегося при цветении водоемов, применяют сетчатые микрофильтры, плоские и барабанные сетки. См. также Осаждение.

Обеззараживание.

Наличие в воде болезнетворных микроорганизмов и вирусов делает ее непригодной для хозяйственно-питьевых нужд, а присутствие в воде некоторых видов микроорганизмов (напр., нитчатых, зооглейных, суль-фатвосстанавливающих бактерий, железобактерий) вызывает биол. обрастание, а иногда и разрушение трубопроводов и оборудования.

Наибольшее распространено хлорирование воды жидким или газообразным С1₂, гипохлоритами - NaClO, Са(СlO)₂ и СlO₂. Хлор взаимод. с водой с образованием НС1О и НС1; при рН > 4 свободный С1₂ практически отсутствует, при рН > 5,6 НС1О диссоциирует на Н ⁺ и СlO^-. Бактерицидность недиссоциированной НС1О в 70-80 раз больше, чем у СlO^-. При наличии в воде NH₃, аммониевых солей или орг. в-в, содержащих группы NH₂, C1₂, HC1O и гипохлориты реагируют с ними, образуя неорг. и орг. моно- и дихлорамины. Монохлорамины в 3-5 раз менее бактерицидны, чем дихлорамины, которые в свою очередь в 20-25 раз менее эффективны свободного С1₂. Бактерицидность хлораминов, образованных С1₂, НОС1, С1О ^-, NH₃ или солями аммония, в 8-10 раз выше, чем бактерицидность хлорпроизводных орг. аминов или иминов. Концентрацию свободного и связанного (в хлораминах) С1₂, необходимую для обеспечения заданного обеззараживающего эффекта, определяют по результатам пробного хлорирования. Для обеззараживания воды применяют также озон и УФ-облучение.

Стабилизация

Стабильной считается вода, которая не выделяет и не растворяет отложения СаСО ₃. Показателем стабильности служит индекс насыщения I воды карбонатом Са, который рассчитывают по данным о рН и т-ре обрабатываемой воды, а также концентрации катионов Са ^{2+ ,} общих щелочности и солесодержании. Исходя из этих данных, находят pH_s, соответствующий насыщению воды карбонатом. На основе pH_s и измеренного значения рН вычисляют I = рН Ч рН ₅. Вода считается стабильной, если I = 0; при I < 0 вода вызывает коррозию стали, чугуна и др. материалов. При I > 0 может выделяться СаСО ₃ с образованием противокоррозионной пленки на стенках трубопроводов и оборудования. Это связано с наличием в воде СО ₂: при его избытке происходит коррозия, при недостатке - пересыщение воды СаСО ₃, что и приводит к образованию накипи.

Для связывания СО ₂ в Са(НСО ₃)₂ или NaHCO₃ воду обрабатывают Са(ОН)₂, Na₂CO₃ или др. щелочными реагентами. Многие прир. и производств. воды, идущиена охлаждение, пересыщены СаСО ₃, а также Mg(OH)₂. При использовании в кач-ве хладагента вода нагревается, что вызывает разложение гидрокарбонатов и выпадение СаСО ₃; помимо этого, осаждаются Mg(OH)₂ и некоторые соли. Для устранения отложений воду подкисляют H₂SO₄ или НС1, обрабатывают СО ₂ (обычно топочными газами - т. наз. рекарбонизация), фосфатируют (напр., полифосфатами) и стабилизируют др. реагентами.

Умягчение заключается в удалении из воды катионов Са ²⁺ и Mg²⁺ (см. Жесткость воды).

Реагентное умягчение основано на введении в воду в-в, обогащающих ее анионами СО ₃^2- и ОН ^-, в результате чего образуются труднорастворимые СаСО ₃ и Mg(OH)₂, выделяемые из воды осаждением и фильтрованием. При обработке воды известью [гашеной Са(ОН)₂ или негашеной СаО] происходит декарбонизация - устранение карбонатной жесткости; снижается также щелочность воды. Известь связывает растворенный в воде СО ₂ с образованием гидрокарбонатных ионов НСО ₂, которые, взаимод. с известью, превращ. в карбонаты, выпадающие в осадок. Для устранения магниевой карбонатной жесткости кол-во извести должно обеспечивать получение малорастворимой Mg(OH)₂ при одноврем. эквивалентном выделении в осадок СаСО ₃. Предел умягчения воды известью определяется роторимостью СаСО ₃ и Mg(OH)₂.

Воду обрабатывают известью и содой в тех случаях,когда Са и Mg присутствуют в воде не только в виде гидрокарбонатов, но и в виде хлоридов и сульфатов, т.е. для устранения как карбонатной, так и некарбонатной жесткости. При этом образуются осадки СаСО ₃ и Mg(OH)₂, в растворах переходит Na⁺ (в виде Na₂SO₄ и NaCl) в кол-ве, эквивалентном кол-ву Na₂CO₃. Вода, умягченная известью и содой без подогрева, имеет остаточную жесткость порядка 0,5-1,0 ммоль/л. При нагревании воды до 35-40градусов.