Очистка сточных вод

Одним из существенных мероприятий по охране водоемов является канализация. Под канализацией понимают комплекс санитарных мероприятий и инженерных сооружений, обеспечивающих сбор и быстрое удаление за пределы населенных мест и промышленных предприятий загрязненных сточных вод, их очистку, обезвреживание и обеззараживание. Методы очистки бытовых сточных вод подразделяются на механические и биологические. При механической очистке сточных вод происходит разделение их жидкой и твердой фаз. Для этой цели применяются решетки, песколовки, различные отстойники и т. д. Жидкая часть сточных вод подвергается биологической очистке, которая может быть естественной и искусственной. Естественная биологическая очистка сточных вод осуществляется на полях фильтрации, полях орошения, в биологических прудах и т. п. Для искусственной биологической очистки применяют специальные сооружения – биофильтры, аэротенки. Обработка ила производится на иловых площадках или в метантенках.

Разнообразны сооружения для механической очистки сточных вод. Прежде всего, это – решетки, которые задерживают крупные загрязнения в сточной воде. Песколовки улавливают в ней минеральные примеси. Необходимость предварительной их задержки обусловливается тем, что при раздельном выделении из сточной жидкости минеральных и органических загрязнений облегчаются условия эксплуатации сооружений, служащих для дальнейшей очистки отстойников, метантенков и др. Принцип действия песколовки не сложен: частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения вместе с водой в резервуаре выпадают на дно. Отстойники в зависимости от своего назначения подразделяются на первичные и вторичные. Первичные обычно устанавливаются до сооружений биологической обработки сточных вод, вторичные – после этих сооружений. По конструктивным признакам отстойники подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Первичные отстойники практически могут обеспечить эффект осветления жидкости не более чем на 60 %, чаще он колеблется в пределах 30–50 %. Эффективность отстаивания можно повысить предварительной аэрацией: продуть сточную жидкость перед отстойниками воздухом в течение 10–20 мин. Если одновременно с аэрацией добавляют избыточный активный ил и биопленку из вторичных отстойников, то этот процесс называется биокоагуляцией.

Разнообразны сооружения для обработки осадка сточных вод. Это – септики, двухъярусные отстойники и осветлители‑перегреватели, метантенки, иловые площадки. Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходит осветление сточной жидкости и длительное хранение и перегнивание выпавшего осадка. Осадок хранится от 6 до 12 месяцев, затем под влиянием накопившихся в нем анаэробных микроорганизмов разрушается, а нерастворимые органические вещества превращаются в газообразный продукт или в растворимые минеральные соединения. Сточную жидкость осветляют в септиках длительное время (от 1 до 3 суток), но при этом достигается высокий эффект осветления.

Двухъярусные отстойники применяют для небольших и средних очистных станций производительностью до 10 тыс. м³/сут. Осадок, выпавший в иловую камеру, сбраживается под влиянием анаэробных бактерий, которые расщепляют сложные органические вещества (белки, жиры, углеводы) первоначально до кислот жирного ряда, а в дальнейшем и до конечных, более простых продуктов: газов метана, углекислоты и частично сероводорода. Сероводород при щелочном брожении связывается в растворе с железом, образуя сернистое железо, окрашивающее осадок в черный цвет.

Метантенк представляет собой цилиндрический или прямоугольный железобетонный резервуар с коническим днищем, предназначенный для сбраживания осадка. Получающийся в результате брожения газ собирается в газовом колпаке, расположенном в верхней части газонепроницаемого перекрытия, и затем отводится для дальнейшего использования. Чтобы ускорить процессы брожения, в метантенке используют различные приемы, в частности подогрев или его перемешивание. Осадок подогревают обычно до температуры 33° или 55 °C, вводом в метантенк острого пара посредством эжектируемых устройств или водой, разогретой до 60 °C и циркулирующей по змеевикам, уложенным внутри метантенка, а также в наружных теплообменных аппаратах. Сброженный осадок имеет высокую влажность (96–97 %) и для дальнейшего использования его необходимо подсушить. Существуют различные приемы сушки осадка: самый распространенный – сушка на иловых площадках – спланированных участках земли (картах), окруженных со всех сторон земляными валиками. Здесь осадок может быть подсушен в среднем до влажности 75 %, вследствие чего его объем уменьшается в 3–8 раз.

Иловые площадки обычно устраивают на естественном основании с дренажем или без дренажа при условии залегания грунтовых вод на глубине, не меньшей 1,5 м от поверхности карт. Но случается, что и при хороших грунтах не исключается опасность загрязнения грунтовой воды. Тогда площадку устраивают на искусственном основании, препятствующем попаданию профильтровавшейся загрязненной воды в грунтовой поток. Если грунт под иловыми площадками плотный и водонепроницаемый (суглинок, глина), то они сооружаются на естественном основании со специально устроенным трубчатым дренажем, уложенным в канавы, заполненные щебнем.

С целью механизированной уборки, погрузки и транспортирования подсушенного осадка на иловых площадках устраивают дороги для проезда автотранспорта и механизмов, а также съезды на карты.

Земледельческие поля орошения предназначаются для круглосуточного и круглогодичного обезвреживания сточных вод, используемых для полива и удобрения сельскохозяйственных культур. Однако такие поля нельзя создавать на территориях, находящихся в пределах I и II поясов зоны санитарной охраны источников; в непосредственной близости от выклинивания водоносных горизонтов, а также при наличии трещиноватых пород и карстов, не перекрытых водоупорным слоем; в местах со стоянием грунтовых вод на глубине менее 1,25 м от поверхности. При организации полей орошения необходимо предусмотреть устройство резервных полей фильтрации (25–30 % площади орошаемой территории) для приема сточных вод в неблагоприятные периоды года, во время уборки урожая и в других случаях, когда сточные воды не могут быть использованы для полива.

На земледельческих полях орошения можно выращивать технические, зерновые, кормовые и силосные культуры, однолетние и многолетние травы, овощи, употребляемые в пищу после термической обработки (свекла, тыква, кабачки, баклажаны и т. д.), сорта капусты, не применяемые для салата в свежем виде, картофель, плодоягодные и декоративные насаждения и т. п. В то же время запрещается сажать овощные культуры, идущие в пищу без термической обработки (морковь, петрушка, брюква, репа, редис, лук, сельдерей, огурцы, помидоры, салат и др.), а также бахчевые (арбузы, дыни) и ягоды (землянику и клубнику). При сборе урожая с орошаемых участков нельзя складывать овощи на землю. Их следует укладывать или непосредственно в тару, или на специальную подстилку.

Поля фильтрации служат только для очистки жидкой фазы сточных вод. При выборе территории для их расположения руководствуются теми же правилами, что и при подборе места для полей орошения. Наиболее подходящие грунты для полей фильтрации – пески и супеси. Поля фильтрации следует располагать ниже водозаборных сооружений по течению грунтового потока. Расстояние от водозаборных сооружений определяется величиной радиуса депрессионной воронки водозаборной скважины, но должно быть не меньше 200 м для легких суглинков, 300 – для супесей и 500 м – для песка. В отличие от полей орошения на поля фильтрации допускают значительно большую нагрузку, при их оборудовании обязателен дренаж. Процесс окисления органических веществ в почве должен происходить непрерывно. Поэтому при снижении ее фильтрационной способности необходимо перепахать и пробороновать участки.

Биологические фильтры – это сооружения, где происходит искусственный процесс биологической очистки сточных вод. Биофильтр состоит из следующих основных частей: емкостей соответствующих размеров, устроенных из кирпича или железобетона; фильтрующей загрузки; распределительного устройства, обеспечивающего равномерное (с небольшими интервалами) орошение поверхности фильтрующей загрузки; днища с дренажем, посредством которого отводится очищенная вода и поступает в сооружение необходимый для окислительного процесса воздух. Материал фильтрующей загрузки должен быть достаточно пористым, так как это способствует хорошей вентиляции фильтра, но вместе с тем прочным и стойким к механическим и химическим воздействиям. Этим требованиям удовлетворяют котельный шлак, определенные сорта угля, кокс, гравий, щебень твердых пород и хорошо обожженный керамзит.

Проходя через фильтрующую загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в ней вследствие адсорбции взвешенные и коллоидные органические вещества (не осевшие в первичных отстойниках), которые создают биопленку, густо заселенную микроорганизмами. Они окисляют органические вещества и получают необходимую для своей жизнедеятельности энергию. Часть растворенных органических веществ микроорганизмы используют как пластический материал для увеличения своей массы. Таким образом, из сточной воды удаляются органические вещества, а в теле биофильтра увеличивается масса активной биологической пленки. Отработанная и омертвевшая пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра.

Схема работы биофильтра проста. Осветленная в первичных отстойниках сточная вода самотеком (или под напором) поступает в распределительные устройства, которые периодически напускают ее на поверхность биофильтра. Профильтрованная сквозь толщу биофильтра вода проходит через отверстия в дырчатом дне (дренаж) и поступает на сплошное непроницаемое днище, с которого стекает по отведенным лоткам, расположенным за пределами биофильтра.

Затем она поступает во вторичные отстойники, которые задерживают выносимую пленку и отделяют ее от очищенной сточной воды.

Биофильтр отличается от аэрофильтра тем, что последний интенсивно продувается снизу вверх воздухом. Поэтому процесс окисления в аэрофильтрах проходит значительно интенсивней, чем в обычных биофильтрах (приблизительно в 2 раза), и, следовательно, количество очищаемой сточной жидкости в данном случае может быть значительно выше.

Аэротенк представляет собой резервуар, в котором медленно движется смесь активного ила и очищаемой сточной жидкости. Для их лучшего и непрерывного контакта они постоянно перемешиваются при помощи сжатого воздуха или специальных приспособлений. Нормальной жизнедеятельности микроорганизмов‑минерализаторов в аэротенке способствует непрерывное поступление туда кислорода воздуха.

Активный ил – это биценоз микроорганизмов‑минерализаторов, способных сорбировать на своей поверхности и окислять в присутствии кислорода воздуха органические вещества сточной жидкости. Смесь сточной жидкости с активным илом должна аэрироваться на всем протяжении аэротенка. Это необходимо не только для того, чтобы обеспечить микроорганизмы‑минерализаторы достаточным количеством кислорода воздуха, но и для поддержания ила во взвешенном состоянии. Кислород нагнетается в аэротенк с воздухом воздуходувками или засасывается из атмосферы при сильном перемешивании содержимого аэротенка.

Биологическая пленка или активный ил задерживаются вторичными отстойниками. Последние используются и как контактные резервуары, перед которыми в сточную воду подают хлорный раствор. Вторичные отстойники, составляющие с аэротенками технологически связанные сооружения, служат только для отделения активного ила от очищенной в аэротенке сточной воды.

Биологические пруды применяют как самостоятельные биологические очистные устройства или в качестве сооружений для конечной стадии очистки сточных вод, предварительно обработанных на биологических сооружениях (биофильтрах, аэротенках). В первом случае сточные воды, пройдя отстойники, разбавляются до поступления в пруды 3–5 объемами технической или хозяйственно‑питьевой воды.

Средняя глубина в биологических прудах должна (в зависимости от местных условий) не превышать 1 м, но и не быть менее 0,5 м. Весной, перед пуском биологических прудов в эксплуатацию, производят вспашку их дна. После вспашки пруды заполняют сточной водой и выдерживают почти до полного исчезновения из нее аммонийного азота. Срок «созревания» прудов для средней полосы СССР не менее одного месяца. Осенью, после окончания работы биологических прудов, воду из них спускают. В зимнее время в биологических прудах намораживают воду.

Сточные воды любого населенного пункта содержат патогенные микробы. В связи с этим обеззараживание сточных вод необходимо во всех случаях применения искусственной очистки. В настоящее время обеззараживают жидким хлором (доза активного хлора после механической очистки – не менее 30 мг/л, неполной биологической – 15 мг/л, полной искусственной биологической очистки – 10 мг/л). На небольших очистных сооружениях производительностью до 1 тыс. м³/сут допускается использование хлорной извести, на крупных сооружениях применяется жидкий хлор и процесс хлорирования автоматизирован.

Хлорирование сточной жидкости производится в специальных контактных резервуарах, устраиваемых по типу горизонтальных или вертикальных отстойников. Продолжительность контакта хлора с жидкостью – не менее 30 мин, поэтому если очищенная вода проходит от станции очистки до водоема в течение 30 мин или более, то такие резервуары не нужны. Если в сточной жидкости содержится не менее 1,5 мг/л остаточного активного хлора, то она может считаться обеззараженной.

Сточные воды промышленных предприятий, в отличие от хозяйственно‑бытовых, характеризуются высоким содержанием растворенных веществ, которые указанными выше способами не извлекаются. Для их удаления применяют самые различные методы очистки. Выбор метода зависит от того, в каком состоянии обнаружено вещество в сточной воде – в молекулярном или в диссоциированном на ионы. Так, для веществ, которые находятся в воде в молекулярно‑растворенном состоянии, рекомендуют сорбцию с помощью различных сорбентов, десорбцию аэрацией, обработку воды окислителями (для органических веществ) и др. В случае диссоциации вещества на ионы методы очистки сточных вод направлены на образование малорастворимых соединений (карбонатов, сульфатов и пр.), перевод токсичного иона в малотоксичный комплекс (перевод цианидов в ферроцианиды), создание малодиссоциированных молекул при взаимодействий водородных и гидроксильных ионов, извлечение из воды ионов при электродиализе, замену токсичных ионов безвредными при Н⁺‑ и ОН^–‑ионировании и многое другое.

В настоящее время сточные воды часто доочищают для повторного использования в производственном водоснабжении. Такая их доочистка вызвана тем, что в ряде случаев в воде наблюдается повышенное солесодержание, биологически неокисляемые органические вещества, канцерогенные соединения и др. Метод доочистки стоков выбирают в зависимости от конкретных остаточных загрязнений воды. Так, для очистки сильноминерализованных стоков с успехом применяется метод термического опреснения, при котором дистиллят, полученный из стоков, используется как обессоленная вода.

В случае органически загрязненных стоков практикуется адсорбционная доочистка в псевдосжиженном или неподвижном слое активированного угля, а для корректировки минерального состава – умягчение на ионообменных фильтрах. Адсорбционно доочищенная и умягченная вода – важный источник пополнения водооборотных систем. В такой воде отсутствуют взвешенные, органические, поверхностно‑активные и другие загрязняющие вещества, а ее качество выше, чем у охлажденной воды. К тому же умягченная вода не требует продувки водооборотных систем. Повторное использование доочищенных стоков резко сокращает потребление свежей воды из источников (в 20–25 раз).

Производственные сточные воды, содержащие токсические органические и минеральные вещества, все чаще обезвреживаются с помощью огневого метода. Под влиянием высокой температуры в процессе горения органического топлива токсичные органические вещества окисляются и полностью сгорают, а минеральные – частично выводятся в виде расплава, частично выносятся с дымовыми газами в виде мелкой пыли и паров. Наиболее универсальны и эффективны циклонные печи (реакторы). Они являются основными агрегатами комплексных установок огневого обеззараживания жидких отходов. Каждая такая установка включает в себя циклонный реактор с гарнисажной охлаждаемой футеровкой, стол‑кристаллизатор, скруббер‑охладитель, скоростной газопромыватель типа Вентури с каплеотбойниками, емкостный парк с насосной и дымовую трубу.

Охрана малых рек

Трудно переоценить хозяйственную, климатическую и целебную роль малых рек. Они поят города и села, дают воду предприятиям и полям. На их берегах мы получаем заряд бодрости и здоровья. Реки служат украшением ландшафтов. Малые реки с их живописными берегами, заросшими деревьями и кустарниками, – жемчужины природы. Но они не только украшают Землю, они неутомимо трудятся.

Учитывая значение для народного хозяйства водных ресурсов малых рек, Министерство мелиорации и водного хозяйства РСФСР в 1975 г. признало необходимым провести их паспортизацию, в первую очередь в наиболее дефицитных по водным ресурсам бассейнах Дона, Урала и Оки. Во время паспортизации детально обследуется каждый водоток, учитывается количество озер, прудов, капитальных плотин, сброс отработанных вод, зарегулированность речной сети и ее фактическая водность, дается характеристика воды, очерчивается круг мер по охране водотоков. Из данных, полученных по каждому водотоку, создается картина всего водоема. В дальнейшем подобные сведения войдут в Государственный водный кадастр, но главное, все они позволят эффективно контролировать использование водных ресурсов.

В 1976 г. началась паспортизация малых рек Рязанской области. Она закончилась в 1979 г., охватив 226 водотоков общей протяженностью 6788 км. Три паспорта получила р. Проня, общей протяженностью 336 км. У этой реки – около 400 притоков, причем у каждого из них есть еще и свои голубые ручейки. Журчат они не только в Рязанской, но и в Московской, Тульской, Липецкой областях.

Вот и пришлось «выдать» столь обширному бассейну реки составной паспорт.

«Паспортисты» насчитали в бассейне Прони 33 пруда с капитальными плотинами, 730 прудов временных, два крупных водохранилища, обнаружили 659 скважин, берущие из‑под земли 185 тыс. м³/сут воды.

Рекомендации были четкими: для орошения использовать местный зарегулированный сток, с целью уменьшения эрозии активизировать строительство прудов, продолжить работы по укреплению берегов. Эти предложения сыграли большую роль при разработке плана комплексного использования и охраны водных ресурсов области. В частности, было решено в течение 1978–1980 гг. построить на малых реках 68 плотин. В их числе плотина на р. Мостье, под с. Покровским. В настоящее время на малых реках в Михайловском, Касимовском и некоторых других районах уже построено несколько плотин.

Закончена паспортизация малых рек в Тульской области. Эту сложную комплексную работу, проведенную впервые в Нечерноземной зоне РСФСР, выполнили сотрудники Казанского отдела Северного НИИ гидротехники и мелиорации.

Тульскую землю пересекают 1682 реки и ручья. Если вытянуть их в одну «нитку» и затем измерить ее, то получится почти 11 тыс. км. За последние годы в области значительно увеличилось потребление воды – растет промышленное производство, расширяются и благоустраиваются города и села, развивается орошаемое земледелие. В ближайшем будущем забор воды возрастет еще заметнее.

Специалисты тщательно исследовали территории, по которым протекают реки и ручьи. Они подробно охарактеризовали реки длиной от 10 до 200 и более километров, в том числе такие, как Упа и Красивая Меча, Плава, Осетр и др. Анализ собранных материалов помог определить водные ресурсы области, перспективы их хозяйственного использования.

Паспорта содержат подробнейшие сведения о речных бассейнах Тульской области, их возможностях. На основе этих документов будут организованы охрана вод, бережное расходование их ресурсов.

Забота о малых реках приобретает в области целеустремленный характер. В Туле, Алексине, Ефремове, Плавске, Северо‑Задонске, Болохове расширяются очистные сооружения, Такие же системы намечено создать в Одоеве, Заокском, Теплом и других населенных пунктах. Строже становится контроль за промышленными сбросами. На полях закладывают защитные лесополосы, овраги закрепляют деревьями и кустарниками: меньше смывается почва – глубже становятся реки. Колхозы и совхозы Тульской области возводят на речках и ручьях 22 пруда, которые позволят орошать сенокосы и долголетние культурные пастбища.

В верхнем течении Упы закончилось строительство водохранилища. Его «зеркало» равно 27 км². Водохранилище обеспечило водой Тульский и Щекинский промышленные узлы, ее получили и жители Тулы и других городов. Проектируемое на Красивой Мече (недалеко от Ефремова) водохранилище даст живительную влагу расположенным в округе садам и лугам.

Чтобы сохранить малые реки, нужно правильно использовать их водные ресурсы. Нельзя мириться с таким положением, когда руководители отдельных хозяйств, расположенных в верховьях реки, без обязательного научно обоснованного проекта перегораживают ее плотиной и используют воду, нисколько не заботясь об интересах потребителей, живущих ниже плотины. Подобная безответственность зачастую приводит еще и к тому, что пересыхают русла, заметно понижается уровень грунтовых вод.

В связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства и все растущим применением химических удобрений и ядохимикатов следует опасаться возможности проникновения их в водоемы с атмосферными осадками. Вероятность такого попадания намного усиливается, если берега лишены растительности, а пахотные земли часто распахиваются чуть ли не до самого берега реки. Поэтому необходимо установить вдоль берегов водоохранные зоны, внутри которых не разрешается вырубка или корчевка кустарника.

Многие мелкие реки являются нерестилищами для рыбы. Поэтому их надо особенно беречь. Охранять рыбное поголовье наших водоемов – непреложный закон для каждого из нас. В этом отношении заслуживает внимания опыт Московской области.

Ежегодно с 10 апреля по 10 июня объявляется двухмесячник по охране рыбных запасов в водоемах области. Все организации, использующие водоемы, обязаны в это время развернуть широкую разъяснительную работу среди населения о необходимости такой охраны и пресечения браконьерства. В период двухмесячника запрещено применение моторных лодок на Можайском, Рузском, Озернинском, Истринском водохранилищах и на озерах, где введено платное рыболовство, за исключением флота спецслужб и обществ, выделенного для рыбоохранной работы. Службы водохранилищ призваны обеспечить стабильный уровень воды в водохранилищах в период нереста рыбы, инкубации икры и выклева личинок. Особое внимание уделяется мерам, исключающим попадание в водоемы и береговые санитарные зоны различных ядохимикатов, применяемых на обработке полей, минеральных удобрений, навоза и других ядовитых для рыб и водных организмов веществ. Любительский лов рыбы в период двухмесячника разрешается только на одну поплавочную удочку с двумя крючками или двумя удочками по одному крючку на каждой, причем только в местах, где нет нереста рыбы.

Забота о полноводной жизни малых рек – одна из прямых обязанностей местных Советов. Большую помощь им во всех мероприятиях, направленных на защиту и оздоровление водной среды, должны оказывать общественные организации и ведомства, использующие ту или иную реку. Необходимо не только хорошо знать каждый уголок своего района, но и уметь сохранять его природную первозданность. А главное, нужно просто беречь воду – вместилище рыбных богатств, союзника отменных урожаев, необходимого спутника тысяч производственных процессов, – воду, без которой не может быть жизни.