CC BY
84
УДК (470.23-25):613
© 2012: В.Н. Анопольский., Г.Н. Фельдштейн, Е.Г. Фельдштейн; ФНИ «XXI век»
ПРОБЛЕМА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГИДРОСФЕРЫ ПРОДУКТАМИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫМИ ДЛЯ ВОДОПОДГОТОВКИ И ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД
В.Н. Анопольский., Г.Н. Фельдштейн, Е.Г. Фельдштейн
Научно-инженерный центр «ПОТЕНЦИАЛ-2», Санкт-Петербург, Россия
Эл. почта: info@potential-2.ru Статья получена редакцией 09.04.2012, принята к печати 21.05.2012
Рассмотрено формирование состава вод на различных этапах ее хозяйственно-производственного использования в населенном пункте. Показано, что существенный вклад в рост содержания некоторых компонентов в сбросных водах вносит вторичное загрязнение вод. Рассчитаны значения удельного роста массы веществ, входящих в состав наиболее распространенных реагентов, применяющихся для очистки природных и сточных вод.
Ключевые слова: водоподготовка, очистка сточных вод, очистные сооружения, реагенты, вторичное загрязнение вод.
THE PROBLEM OF ENVIRONMENTAL WATER POLLUTION WITH PRODUCT
USED IN WATER TREATMENT V.N. Anopolsky, G.N. Feldstein, E.G. Feldstein
Potential-2 R&D Center, Saint-Petersburg, Russia
E-mail: info@popential-2.ru
The process of formation of water contaminants composition at different stages of treatment of water for household and industrial purposes and of waste water is scrutinised. The secondary water pollution resulting from treatment is shown to significantly contribute to sewage composition. The specific increments in total mass of substances comprised by reagents commonly used for water treatment are calculated. Keywords: water treatment, waste water treatment, water treatment facilities, secondary water pollution.
Введение
Одним из наиболее значимых факторов снижения антропогенной нагрузки на гидросферу является прекращение сброса неочищенных и недостаточно очищенных сточных вод в окружающую природу. Даже в очищенных до требуемых показателей сточных водах содержатся компоненты, преимущественно в растворенном состоянии, поступающие в воды на различных этапах хозяйственно-производственного цикла и не извлекаемые в процессе очистки. Концентрации этих веществ в сбросных водах превышают, и в большинстве случаев существенно, их концентрации в потребляемых населением и производством водах. В связи с этим проблема поэтапного накопления в водах различных ингредиентов, использующихся и образующихся в процессе водо-подготовки, во время хозяйственного и производственного водопотребления, а также, и это следует подчеркнуть, на этапе очистки сточных вод, является в настоящее время одной из наиболее актуальных.
Формирование состава сточных вод
Для каждого населенного пункта или другого потребителя воды, имеющего систему очистки сточных вод, всегда будет характерен индивидуальный состав отводимых в природные водоприемники сбросов. Этот состав формируется, в первую очередь, на основе природной совокупности примесей различного фазово-дисперсного состояния. Затем в процессе очистки до соответствия требованиям действующих
стандартов в природные воды вносятся реагенты для осветления, обесцвечивания и обеззараживания, а также, при необходимости, для извлечения отдельных компонентов, концентрации которых превышают нормативные показатели. В результате водоподго -товки подаваемая населению и на предприятия вода обогащается катионными и анионными остатками, входящими в состав реагентов и не участвующими в процессе очистки, а также ингредиентами, вновь образующимися при реагентной обработке природных вод. Далее во время потребления для хозяйственно-питьевых нужд в воду добавляются вещества, использующиеся в быту, а также продукты жизнедеятельности человека. В процессе производственно -го водопотребления в воду поступает, как правило, основное количество хорошо растворимых загрязняющих веществ, как новых, так и тех, которые существенно повышают концентрацию одноименных компонентов, первоначально содержащихся в природных водах. И, наконец, на этапе очистки образующихся при водопотреблении стоков формируется окончательный состав сбросных вод. При этом в про -цессе биологической очистки они в большей степени обогащаются ингредиентами, образующимися в результате ионно-молекулярных превращений примесей, а в ходе химической очистки также компонентами, входящими в состав применяемых реагентов.
На рис. 1 приведена принципиальная схема оборота вод от источника водоснабжения до приемника очищенных стоков для случая, когда для этих целей
2
1 ^прирО')
'сп.нп(1)
Рис. 1. Принципиальная схема оборота вод от источника водоснабжения до приемника очищенных сточных вод: 1 - водозаборное сооружение; 2 - станция очистки природных вод; 3 - жилые дома; 4 - общественные здания; 5 - предприятия; 6 - котельные; 7 - тепловые пункты; 8 - сооружения для очистки сточных вод котельных; 9 - очистные сооружения сточных вод населенного пункта; 10 - очистные сооружения производственных сточных вод предприятий.
используется поверхностный водоток. При этом отметим, что в результате оборота вод происходит изменение не только их состава и концентрации содержащихся компонентов, но и количества вод в системе из-за безвозвратного расходования их и неизбежных потерь в процессах очистки и потребления. Поэтому для количественной оценки изменений различных ингредиентов в водах от источника до приемника будем использовать показатель массы /-го вещества, учитывающий как концентрацию его, так и расход вод.
В соответствии со схемой оборота природные воды из поверхностного водотока или водоема с количественным содержанием каждого из естественных компонентов Мприр(.) поступают в водозабор (1), из которого они подаются на станцию водоподготовки (2). Расход природных вод при этом принимается не -сколько большим, чем требуется всем потребителям воды, в связи с использованием их для собственных нужд и безвозвратными потерями в результате водоподготовки. На современных станциях эти потери происходят в основном из-за образования обводненных твердых отходов (осадков), вывозимых на захоронение, и составляют 1-2% от объема очищенных вод (а=0,01.. .0,02), а на большинстве водоочистных станций с устаревшими технологиями такие потери достигают 10-14% из-за образования значительного количества неутилизируемых сточных вод от промывки фильтров. В процессе очистки природных вод происходит уменьшение содержания в них одних веществ МГов()} и увеличение количества других -М+в() [1].
ов® 1
ществ Мве(Г) подается в населенный пункт, в котором она расходуется на хозяйственно-питьевые нужды и производственные потребности, если предприятия не имеют собственных систем водоснабжения. При этом содержание ряда веществ в наружных и внутренних водопроводных сетях может возрастать на некоторую величину ввиду изношенности и коррозии трубопроводов.
Часть водопроводной воды подается непосредственно потребителям: в жилые дома (3) — М .,, в общественные здания (4) - М (5) - М,
воз(.) и на предприятия зл(.). Еще часть поступает в котельные (6) - М и тепловые пункты (7) - М ,после кото -
В то же время, содержание некоторых природных примесей как снижается в результате очистки вод, так и растет из-за обогащения аналогичными компонентами применяемых реагентов, т.е. изменяется на величину (М+в(.) - М-в(.)).
Из станции водоподготовки (2) водопроводная вода с изменившимся количеством некоторых ве-
!.к(1') * ^ ' вв.тп(1У
рых централизованно подготовленная горячая вода поступает на хозяйственные и бытовые нужды, а в некоторых случаях - и на производственные потреб -ности. При этом среднесуточное водопотребление из расчета на одного жителя составляет 230-350 л, из которых 40% поступает из централизованной системы горячего водоснабжения.
Водопроводная вода перед подогревом в котельных (6) и тепловых пунктах (7) может подвергаться специальной водоподготовке, после чего увеличивается или уменьшается содержание в горячей воде некоторых ингредиентов, соответственно на М +п М+ М- ,,иМ- ... В котельных производится так-
вп.тп(1у вп.к(1) вп.тп(1) А
же подготовка воды для собственных нужд и подпит -ки тепловых сетей. Образующиеся в результате водо -подготовки в тепловых пунктах и котельных сточные воды с количеством отдельных компонентов М =
=М ..-М- (,+М+ () иМ =М (, -М- п,
вв.тп(г) во.тп(г) во.тп(г) св.к(1) вв.к(1) во.к(1) во.к(1у
как правило, сбрасываются в коммунальные сети водоотведения. В последнее время в составе современных котельных предусматриваются очистные сооружения (8), после которых очищенная вода с остаточной массой веществ М = М - М- ,,+ М
оч.к(г) осв.к(1) ос.щ)
также отводится в городскую канализацию.
ос.к(()
в.н. анопольский., г.н. фельдштейн, е.г. фельдштейн
Горячая вода из котельных (6) и тепловых пунктов (7) поступает в централизованную систему и подает -ся для потребления в жилые дома (3), общественные здания (4) и предприятия (5). В результате использования холодной водопроводной воды и горячей воды из централизованной системы или от индивидуальных водонагревателей образуются хозяйственно-бытовые сточные воды, обогащенные неорганическими и органическими веществами в количестве М +бжс.у М+ ... и М+ .... Эти стоки сбрасываются в комму-
х6.оз(1) х6.п(1) А
нальную систему водоотведения и отводятся на централизованные очистные сооружения (9).
На предприятиях образуются также производственные сточные воды. При этом содержание отдельных компонентов в них возрастает на величину М+п(.), а в стоках некоторых производств появляются новые техногенные загрязняющие вещества. Вместе с тем, в случае кондиционирования водопроводной воды перед использованием в технологическом процессе, в частности, ее деминерализации, масса некоторых ингредиентов в стоках может уменьшаться на М-п(.) при условии утилизации образующихся при этом концентратов. Производственные сточные воды подаются либо непосредственно на городские очист -ные сооружения (9), либо на локальные очистные сооружения (10). В последнем случае после предварительной очистки до нормативных требований, которые утверждены для каждого населенного пункта, производственные стоки отводятся в централизованную систему водоотведения. В результате очистки на локальных сооружениях (10) масса большинства техногенных загрязняющих веществ снижается на М~ ... и повышается наМ + ... содержание компонентов одноименных с остатками реагентов, которые ис -пользовались в технологии очистки.
Смесь всех потоков сточных вод населенного пункта с количеством каждого ингредиента Мсв после очистки на централизованных очистных сооружениях (9) отводится в поверхностный водоток или водоем. При этом содержание основных загрязняющих веществ в очищенной воде уменьшается на величину М— а отдельных компонентов возрастает на М+ ..., и составляет значение М ....
ос.нп(1у оч.нп(1)
Таким образом, в результате оборота вод от источника водоснабжения до приемника очищенных сточных вод масса каждого вещества изменяется на величину
. Q — (1—а)С (, Q , (1)
) ^ оч.нп 4 у прир(1) ^прир 4 у и С — концентрации т-г
оч.нп(1) прир(1)
очищенных сточных водах населенного пункта и в природном источнике водоснабжения населенного пункта соответственно; Q и Q — расход очищен-
^ ? ^ оч.нп ^ прир А
ных сточных вод населенного пункта, сбрасываемых в водоток или водоем, и природных вод, забираемых из источника для водоснабжения населенного пункта, соответственно; а — коэффициент, учитывающий расход воды на собственные нужды станции водоподготовки.
По уравнению (1) можно вычислить массу любого содержащегося в очищенных сточных водах компонента, дополнительно сбрасываемую в водоток или водоем, за определенный период времени, при условии, что С гО > (1—а) С гО .
оч.нп(1) ^ оч.нп 4 ' прир(1) ^ прир
С учетом увеличения или уменьшения содержания отдельных ингредиентов в процессе хозяйственного и производственного использования вод, а также на
различных этапах очистки природных вод, кондиционирования водопроводной воды и очистки образую -щихся сточных вод, получим следующие выражение для расчета АМ :
АМ1 = X М!-Т М = + М+и,(0 + м™(0 +
+М0к(О+ М.
во.тп(/)
+М+0СЖ (0 +М
хб.ж(/)
М
хб.оз( /)
+ МХб.И(0 +К.п(1) +М+о,М/> + М+ос.ш(0) -
- (М0вО) +Мп, (О +М™о) +М-о,0) +М
(2)
во.тп(/)
к 0) +М-М1) +Мос.п(1) +Мос.нп (0)
АМ. = М (, — М (, = С (. ^
1 оч.нп(1) прир(1) оч.нп(1) ^оч.нп
где Соч ни(1) и Сприр(1) — концентрации 7-го вещества в
где ЕМ+ и 1МГ— суммы масс г-го вещества, добавляемых в воды и изымаемых из вод на разных стадиях их хозяйственного и производственного использования соответственно.
Формулу (2) целесообразно применять при анализе всех источников дополнительного загрязнения вод в процессе их хозяйственно-производственного оборота и разработке мероприятий по рационализации использования вод различными потребителями.
Количественная оценка вторичного загрязнения сточных вод
На стадии проектирования систем водоснабжения и водоотведения населенного пункта имеется возможность расчетным путем определить те составляющие формулы (2), которые вносят наибольший вклад в изменение массы природных компонентов в водах. Для этого проведем оценку влияния каждого объекта, показанного на рис. 1, на степень загрязнения вод, находящихся в хозяйственно-производственном обороте.
Станция водоподготовки населенного пункта
На станции водоподготовки производится комплексная очистка природных вод до качественных показателей, установленных действующими нормативами для питьевой воды. Для этого в технологии водоочистки применяются различные реагенты, обеспечивающие надлежащее осветление, обесцвечивание и обеззараживание природных вод [2—5]. В результате реагентной обработки концентрации одних веществ в очищаемых водах снижаются до нормативных показателей, а других — возрастают вследствие обогащения вод остатками реагентов [1]. Возможно также появление в питьевой воде новых ингредиентов, образующихся при ионно-молекуляр-ных превращениях примесей после реагентной водоочистки. Для количественной оценки изменения содержания того или иного компонента, связанного с обработкой вод реагентами, можно использовать показатели удельного роста и удельного снижения массы этого компонента в расчете на единицу массы реагента. Эти показатели могут рассчитываться на безводный и товарный продукт.
В табл. 1 приведены значения удельного роста массы веществ на отдельных этапах очистки природных вод в результате применения различных реагентов. Эти значения рассчитаны только для неорганических растворенных компонентов, содержание которых изменяется в процессе водоочистки. Протекающие при этом химические реакции приведены в [1].
Данные по удельному росту массы отдельных компонентов в очищаемых природных водах, приведенные в табл. 1, можно использовать для расчета общей
+
+
+
массы этих компонентов, дополнительно поступающих в систему в результате использования реагентов, по формуле
М+ г, = Л • М,, , т
ов(1) 1 рС/ )
(3)
где Л. - удельный рост массы 1-го компонента в очищаемых природных водах (т/т), принимается по табл. 1 для товарного реагента; М - общая масса /-го товарного реагента (т), расходуемого для водо-подготовки в течение расчетного периода (сутки, декада, месяц, квартал, год).
Таким образом, если известен расход любого реагента, несложно вычислить массу веществ, содержание которых в результате водоочистки возрастает и, в конечном итоге, сбрасывается с очищенными сточными водами в водоем или водоток.
Рост массы любого ингредиента, вносимого при обработке природных вод реагентами, может быть выражен также удельным показателем в расчете на одного жителя в сутки
Аж(1) 10
Ац 11
D ( ,
ж.ср рС/) -
г/сут.
(4)
где: цжср - удельное среднесуточное хозяйственно-питьевое водопотребление на одного жителя, л/сут.;
- доза /-го реагента по товарному продукту, мг/л (г/м3).
Общая масса веществ, дополнительно поступающих в хозяйственно-питьевые воды в результате реа-гентной водоподготовки с учетом всех жителей населенного пункта в течение расчетного периода, может быть найдена по формуле
М = 10-6 А Т, т.
ов.ж(1) ж(1) ж '
(5)
где: Иж - расчетная численность жителей населенного пункта, чел.; Т - расчетный период водопотре-бления, сут.
По действующим нормативам удельное водопотре -бление в населенных пунктах при проектировании систем централизованного водоснабжения оценивается в 125-350 л/сут., а доза, например, коагулянтов -в 25-80 мг/л по безводному веществу. Тогда, к примеру, для сернокислого алюминия дополнительная масса сульфатов, поступающих в очищаемые воды при коагуляции, для населенного пункта с населением 100 тыс. чел. за год будет в пределах 96-860 т.
При реагентной водоподготовке, как отмечалось выше, содержание некоторых присутствующих в природных водах ингредиентов снижается, что связано с участием их в реакциях, протекающих при очистке. К этим ингредиентам следует, в первую оче -редь, отнести бикарбонаты и кальций [1].
Жилые дома населенного пункта
Поступающая в жилые дома вода из системы централизованного водоснабжения после потребления населением на различные нужды загрязняется органическими и неорганическими веществами и сбрасывается в систему централизованного водоотведе-ния. Некоторые из этих веществ, в первую очередь хлориды, в дальнейшем не удаляются на очистных сооружениях, а сбрасываются с очищенными сточными водами в водоем или водоток. На многих действующих очистных сооружениях не предусмотрена также очистка от аммонийного азота и фосфатов. По
существующим на сегодняшний день нормам, количество хлоридов, аммонийного азота и фосфатов на одного жителя составляет, соответственно, 9,0, 8,0 и 3,3 г/сут. Это значит, что годовой сброс этих компонентов со сточными водами для населенного пункта с населением 100 тыс. чел. будет по хлоридам 330 т, по аммонийному азоту 290 т и по фосфатам 120 т. Кроме того, нормами не учитывается, что с хлоридами сбрасывается эквивалентное количество натрия, или 5,8 г/сут. на одного жителя, а также другие неорганические вещества, которые входят в состав различных бытовых чистящих и моющих средств.
Общественные здания населенного пункта
Отвод использованных вод от общественных зданий, расположенных в черте населенного пункта, про -изводится в большинстве случаев в централизованную систему канализации. При этом количество загрязняющих веществ в сбрасываемых в нее бытовых сточных водах дополнительно не учитывается и принимается по нормативам, действующим для населения (см. выше). Вместе с тем, на некоторых объектах, относящихся к общественным, образуются сточные воды, загрязненность которых по многим веществам существенно превышает загрязненность бытовых стоков. К таким объектам относятся, в первую очередь, предприятия общественного питания, бани, прачечные и другие объекты. С учетом этого, подобных потребителей вполне логично отнести к предприятиям, а именно предприятиям сферы услуг, на которых образуются сточные воды специфического состава.
Предприятия населенного пункта
Предприятия, расположенные в черте населенного пункта, в большинстве случаев подключены к систе -мам централизованного водоснабжения и водоотве-дения. Кроме крупных потребителей водопроводной воды, к которым относятся, например, предприятия машиностроительного комплекса, приборостроения, пищевой и легкой промышленности, в населенном пункте имеются многочисленные мелкие потребители воды, такие как предприятия сферы услуг.
Образующиеся на предприятиях производственные сточные воды по многим лимитируемым показателям загрязнены сверх установленных нормативов, допускающих сброс стоков в централизованную систему канализации населенного пункта. Поэтому на предприятиях предусматривается предварительная очистка производственных сточных вод с последую -щим отводом их в сети коммунальной канализации.
На предприятиях, как правило, для очистки произ -водственных стоков применяются физико-химические технологии со значительным расходом реагентов: коагулянтов, окислителей и восстановителей, а также реагентов-осадителей и реагентов для корректирования рН стоков. В связи с этим, наряду со значительным первичным загрязнением производственных сточных вод в основном технологическом процессе, происходит также существенное вторичное загрязнение их в процессе очистки.
Коагулянты на предприятиях используются для очистки нефтесодержащих стоков, маслоэмульси-онных растворов, отработанных смазочно-охлажда-ющих жидкостей, краскосодержащих и жиросодер-жащих сточных вод и др. В большинстве случаев коагуляция осуществляется реагентами, характеристика которых приведена в табл. 1. В результате коагуляционной очистки в очищенных водах
в.н. анопольский., г.н. фельдштейн, е.г. фельдштейн
Табл. 1
Удельный рост массы неорганических веществ в воде для основных реагентов, применяющихся
для водоочистки
о Содержание в товарном Вещества, Удельный рост массы вещества, т/т
о <и Я о Наименование реагента, химическая формула содержание которых возрастает по безводному по товарному
£ продукте, % реагенту реагенту
Алюминий сернокислый А1^0Л 32,3 (9,5)1) 55,2 (16,3)1) 304230/- 0,84 0,84 0,27 0,46
Железо хлорное FeC13 40,0 95,0 С1-С1- 0,66 0,66 0,26 0,63
и Железо сернокислое 31,0-35,0 68,0-75,0 30423042- 0,72 0,72 0,22-0,25 0,49-0,54
^ л & Алюминия оксихлорид (пентагидроксохлорид) А12(0Н)5С1 17,0-20,82) 44,0-52,03) 18,0-22,04) 11- 1- 0,20 0,20 0,20 0,057-0,062 не менее 0,12 не менее 0,06
Алюминия 30,0-33,05) С1- - 0,35-0,40
полиоксихлорид А1(0Н)аС1ь, а+Ь=3, а>1,3 9,4-10,65) 13,1-14,15) 16,5-17,55) С1-С1- С1- - 0,11-0,15 0,20-0,24 0,19-0,23
<и « К сз « К Известь негашеная СаО 95,0 (5,0)6) 80,0 (5,0)6) 70,0 (5,0)6) Са2+, Ыя2+ Са2+ , Ыя2+ Са2+ , Ыя2+ 0,71 0,71 0,71 0,64 (0,03)7) 0,53(0,03)7) 0,46 (0,03)7)
£ ч <и э Известь гидратная Са(0Н)2 67,06) 60,06) Са2+ Са2+ 0,54 0,54 0,48 0,43
с Сода кальцинированная Na2C0з 98,5-99,4 Na+ НС032- 0,43 0,58 0,43 0,58
Жидкий хлор С12 С1- С10- 0,58) 0,58)
<и 99,8 0,74 0,74
« И ей « о а Хлорная известь (марка А) Са0С12 20,0-28,09) С1-С10-Са2+ 0,28 0,41 0,10-0,148) 0,15-0,20
К & а 0,31 0,11-0,15
* !3 Й § о а а || Хлорная известь (марка Б) Са0С12 27,0-35,09) С1- С10-Са2+ С10-Са2+ 0,28 0,41 0,14-0,188) 0,20-0,26
л к «в м " Я И 1° Л О Гипохлорит кальция (марка А) Са(С10)2 52,0-60,09) 0,31 0,72 0,28 0,15-0,19 0,37-0,43 0,15-0,17
X <и £ Гипохлорит натрия (марка А) NaC10 1901<» С1-С10- №+ - 0,095п) 0,14
- 0,12
Примечания:
11 в скобках содержание в пересчете наА1203;
2) содержание по А^, коагулянт БОПАК-Е по ТУ 216350-004-39928758-08;
3) содержание по А^Оз, коагулянт Бриллиант-50® по ТУ 2163-016-94262278-2010;
4) содержание по А^3, коагулянт Бриллиант-18® по ТУ 2163-016-94262278-2010;
5) содержание по А12О3, коагулянт Аква-Аурат™ 30,10, 14, 18 по ТУ 2163-069-00205067-2007;
6) содержание по Ca0+Mg0, в скобках содержание MgО; 71 в скобках значение для Mg;
8) учитывается только гидролиз реагента;
9) содержание активного хлора;
10) массовая концентрация активного хлора в г/дм3; п) значение дано в т/м3.
Табл. 2
Источники образования металлосодержащих сточных вод
Источник образования сточных вод Производство Отрасль промышленности Основные металлы в сточных водах
Травление, снятие травильного шлама, активация, химическое или электрохимическое полирование изделий и деталей из стали, алюминия, меди, никеля, медных и цинковых сплавов Подготовка поверхности перед гальваническим покрытием, химическим покрытием, лакокрасочным покрытием Машино- и приборостроение, электротехниче ская промышленность, электроника Ее2+, Ее3+, Л13+, Си2+, Ы12+, Zn2+, Сг6+
Осветление, промежуточное цинкование, железнение или никелирование изделий и деталей из алюминия и его сплавов Подготовка поверхности перед гальваническим покрытием, химическим покрытием, лакокрасочным покрытием Машино- и приборостроение, электротехническая промышленность, производство фурнитуры и украшений Ее2+, Ее3+, Л13+, Ы12+, Zn2+
Цинкование, меднение, хромирование, латунирование, лужение, нанесение сплавов и др. Гальванические и химические покрытия Машино- и приборостроение, электротехническая промышленность, производство фурнитуры и украшений Ее2+, Ее3+, Л13+, Си2+, Ы12+, Zn2+, СГ<+, Сг3+, Бп2+, Бп4+, СсР+, РЬ2+
Травление, сенсибилизация, активация и декапирование пластмасс Подготовка поверхности при металлизации пластмасс, нанесение на нее химического покрытия и производство печатных плат Приборостроение, электроника, производство фурнитуры и украшений Сг6+, Бп2+
Меднение и никелирование пластмасс Химические и гальванические покрытия пластмасс Приборостроение, электроника, производство фурнитуры и украшений Си2+, Ы12+
Травление печатных плат Изготовление печатных плат Приборостроение, электроника Ее2+, Ее3+, Си2+, Си'+
Оксидирование, эмалирование и фосфатирование изделий и деталей из стали, алюминия, меди и медных сплавов Нанесение неорганических защитных пленок Машино- и приборостроение, электротехническая промышленность, производство фурнитуры и украшений Zn2+, Сг6+
Дубление кожи Выделка шкур животных Кожевенная промышленность Сг3+
Придание водостойкости брезенту Обработка льняных тканей Текстильная промышленность Сг6+, Си2+
Шлифовка стекла Производство стекла и стеклянных изделий Промышленность строительных материалов Ее2+, Ее3+
Разделение суспензий, обработка и промывка пигментов Производство минеральных пигментов Лакокрасочная промышленность Ее2+, Ее3+, Сг6+, Сг3+, Zrf+, РЬ2+, Т4+
в.н. анопольский., г.н. фельдштейн, е.г. фельдштейн
существенно возрастает масса таких компонентов, как сульфаты или хлориды, поскольку доза реагентов при этом на один-два порядка выше, чем в случае очистки природных вод. Например, доза сернокислого алюминия при очистке отработанных СОЖ составляет 1000-3000 мг/л [6]. Годовой расход этого реагента для очистных сооружений производительностью 200 м3/сут. составит 160-480 т по товарному продукту, а масса сульфатов в сбросных водах увеличится на 43-130 т.
Коагулянты применяются также при очистке сточных вод предприятий сферы услуг, в частности, сточных вод автомоек и механизированных прачечных.
В последнем случае доза сернокислого алюминия достигает 500 мг/л по А1203[7], или 1700 мг/л в пересчете на безводный продукт, что сопоставимо с дозой необходимой для очистки отработанных СОЖ.
Таким образом, из-за высоких доз коагулянтов, расходуемых на очистку производственных сточных вод, происходит значительное увеличение массы компонентов, вызывающих вторичное загрязнение сбросных вод.
Реагенты для окисления, восстановления и осажде -ния примесей, а также для корректирования рН сточных вод, широко применяются в технологии очистки металлосодержащих жидких отходов.
В табл. 2 приведены основные источники образования металлосодержащих сточных вод на предприятиях, которые обычно находятся в черте населенного пункта.
Металлосодержащие сточные воды образуются также на заводах по производству аккумуляторов и на некоторых производствах предприятий транспор -та и сферы услуг.
При наличии в производственных сточных водах шестивалентного хрома в технологических схемах станций нейтрализации предусматривается обработка стоков реагентами-восстановителями. Общая характеристика химических процессов для кислых, нейтральных и щелочных хромсодержащих сточных вод в случае использования наиболее распространенных реагентов приведена в табл. 3.
Из данных табл. 3 следует, что химическое восстанов -ление шестивалентного хрома серосодержащими реагентами приводит к вторичному загрязнению очищенной воды гидросульфатами или сульфатами, а также катионами, входящими в состав реагента-восстановителя. В табл. 4 приведены данные по удельному росту массы этих веществ, а также дозы реагентов-восстановителей и кислоты (в граммах на 1 г шестивалентного хрома) при очистке хромсодержащих сточных вод.
Расчеты по данным, приведенным в табл. 4, показывают, что для восстановления шестивалентного хрома в концентрации 100 мг/л сульфатом железа при производительности станции нейтрализации 200 м3/сут. требуется 89,0-93,5 т товарного реагента и 31,0-50,0 т серной кислоты в течение года. При этом масса сульфатов в сбросных водах возрастет на 56,0-65,0 т/год.
В реальных условиях очистки хромсодержащих стоков рост массы компонентов, входящих в состав реагентов и образующихся в результате восстановительного процесса, будет еще выше, чем указано в табл. 4. Это связано с тем, что для эффективной очистки требуется вводить избыток реагентов: на 15-25% выше стехиометрической дозы [8].
Ощутимое повышение солесодержания происхо-
дит также при обезвреживании циансодержащих вод реагентами, содержащими активный хлор. Так, при окислении простых цианидов, а также комплексных цианидов кадмия и цинка расход активного хлора составляет 2,73 г на 1 г цианидов, а в случае окисления комплексных цианидов меди - 3,18 г/г [6]. Кроме того, окисление цианидов производится в щелочной среде с дозированием в очищаемые воды раствора щелочи, вследствие чего они обогащаются катионами натрия или кальция.
В качестве реагентов-осадителей металлов, содержащихся в сточных водах в растворенном состоянии, чаще всего применяются щелочи и сульфид натрия. В табл. 5 приведены расходы этих реагентов в граммах на 1 г извлекаемых металлов.
Как правило, металлосодержащие сточные воды наряду с металлами содержат различные кислоты. Для корректирования величины рН в таких случаях расход щелочей существенно увеличивается по сравнению со значениями, приведенными в табл. 5. Доза щелочных реагентов для нейтрализации различных кислот может быть определена по данным, приведенным в [9].
Наибольшее распространение для нейтрализации сточных вод, содержащих щелочи, получили серная и соляная кислоты, следствием чего является существенное увеличение содержания в очищенных водах сульфатов (табл. 4) и хлоридов (удельный рост массы хлоридов составляет 0,97 т/т, а для товарных продуктов с содержанием HCl 31,5-35,0% - 0,31-0,34 т/т).
Таким образом, при реагентной очистке металло-содержащих стоков, особенно хром- и циансодержа-щих, происходит значительное вторичное загрязнение очищаемых вод, что пока еще не в полной мере учитывается при разработке проектов станций нейтрализации на предприятиях.
Котельные и тепловые пункты
В котельных, расположенных в населенных пунктах и потребляющих воду из централизованных систем водоснабжения, предусматривается специальная подготовка воды, которая затем используется для различных нужд. В процессе водоподготовки образуются сточные воды, которые, как правило, без какой-либо очистки сбрасываются в систему канализации населенного пункта.
Для водоподготовки, в частности умягчения водопроводной воды до требуемых нормативных показателей, в котельных в подавляющем числе случаев применяется натрий-катионирование. В результате образуются сточные воды, содержащие значительные концентрации кальция, магния, натрия и хлоридов. Следует отметить, что общая масса кальция и магния в стоках эквивалентна массе этих веществ в умягчаемой водопроводной воде, а содержание натрия и хлоридов значительно увеличивается из-за использования для регенерации натрий-катионито-вых фильтров поваренной соли. Расчеты по определению суточного сброса всех этих компонентов приведены в [10]. По этим расчетам, расход поваренной соли для эффективной регенерации натрий-ка-тионитовых фильтров должен в 2-5 раз превышать теоретическую потребность в ней. Если теоретически на 1 г-экв. рабочей обменной емкости катионита необходимо израсходовать 58,44 г чистой поваренной соли, то на практике расходуется от 100 до 300 г ее, в зависимости от жесткости водопроводной и
Табл. 3
общая характеристика химических процессов восстановления шестивалентного хрома
Реагент Химическая реакция Примечания
Натрия бисульфит (гидросульфит) NaHS03 Ы2Сг207 + 3ЫаШ03 + 3Н2Б04 ^ Сг2(Б04)3 + 3№Ш04 + 4Н20 (1.1) К2Сг207 + 3№Ш03 + 4Н2Б04 ^ Сг2(Б04)3 + 3№Ш04 + К2Б0 + 4Н20 (1.2) 2К2СЮ4 + 3№Ш03 + 5Н2Б04^ Сг2(Б04)3 + 3№Ш04 + 2К2Б04+ 5Н20 (1.3) Для кислого стока Для нейтрального стока Для щелочного стока
Железа сульфат (железный купорос) FeS04 Ы2Сг207 + 6FeS04 + 6Н2Б04 ^ Сг2(Б04)3 + 3Fe2 (Б04)3 + 7Н20 (2.1) К2Сг207 + 6]е804 + 7Н2804 ^ Сг2(804)3 + 3Fe2 (804)3 + К2804+ 7Н20 (2.2) 2К2Сг04 + 6]е804 + 8Н2804 ^ Сг(804)3 +3]е2(804)3+2К2804+ 8Н20 (2.3) Для кислого стока Для нейтрального стока Для щелочного стока
Натрия сульфит ^03 Ы2Сг207 + 3Ыа2803 + 3Н2804 ^ Сг2(804)3 + 3Ыа2804 + 4Н20 (3.1) К2Сг207 + 3№2803 + 4Н2804 ^ Сг2(804)3 + 3Ка2804 + К2804+ 4Н20 (3.2) 2К2Сг04 + 3Ыа2803 + 5Н2804 ^ Сг2(804)3 + 3Ка^04 + 2К2804+ 5Н20 (3.3) Для кислого стока Для нейтрального стока Для щелочного стока
Данные по удельному росту массы веществ при реагентном восстановлении шестивалентного хрома
и дозам реагентов-восстановителей и кислоты
Реагент Содержание в товарном продукте, % Стехиометрическая доза реагента и кислоты, г/г Вещества, содержание которых возрастает Удельный рост массы вещества, т/т
безводного товарного кислоты
по безводному реагенту по товарному реагенту
NaHS03 18-22,5 (29,3-36,6)* 75-92,5 3,00 3,00 3,00 8,2-10,2 8,2-10,2 8,2-10,2 2,8 3,8 4,7 Ж0; №+ 0,93 0,22 0,98 0,27-0,34 0,06-0,08 0,74-0,91
]е804 47-53% 75-92,5 8,8 8,8 8,8 17,8-18,7 17,8-18,7 17,8-18.7 5,7 6,6 7.5 0,64 0,98 0,30-0,34 0,74-0,91
Na2S03 93,0 80/ 0,78 0,73
3,6 7,9 2,8 №+ 0,37 0,34
91,0 (45,5)** 3,6 7,9 3,8 0,78 0,35
3,6 7,9 4,7 №+ 0,37 0,17
^4 75-92,5 0,98 0,74-0,91
Примечания: * содержание по SO2, в скобках по безводному реагенту; ** содержание по №2803х7Н20, в скобках по безводному продукту.
Табл. 5
стехиометрический расход реагентов на осаждение растворенных металлов из сточных вод, г/г
Осаждаемый металл Реагент-осадитель
Известь негашеная Са0 Известь гидратная Са(0Н)2 Сода кальцинированная №,С03 Сода каустическая №0Н Натрия сульфид
Железо, ]е2+ 1,00 1,32 1,89 1,43 1,39
Железо, ]е3+ 1,50 1,98 2,84 2,14 2,09
Алюминий, А13+ 3,11 4,11 5,89 4,44 -
Цинк, 2п2+ 0,86 1,13 1,62 1,22 1,19
Медь, Си2+ 0,88 1,16 1,67 1,26 1,23
Никель, №2+ 0,95 1,26 1,80 1,36 1,33
Хром, Сг3- 1,62 2,13 3,06 2,31 -
Кадмий, Cd2+ 0,50 0,66 0,94 0,71 0,69
Свинец, РЬ2+ 0,27 0,38 0,51 0,39 0,38
Олово, 8п2+ 0,47 0,62 0,89 0,67 0,66
Олово, 8п4+ 0,94 1,25 1,79 1,35 -
Примечания:
1. Значения удельного роста массы веществ при применении СаО, Са(0Н)2 и №2С03 приведены в табл. 1.
2. Удельный рост массы № при применении №0Н составляет 0,58 т/т, а для товарных продуктов марки ТД и ТР с содержанием №0Н 94,0% и 98,5% -0,55 и 0,57 т/т, марки РД с содержанием №0Н 46,0% (высший сорт) и 44,0% (первый сорт) - 0,27 и 0,26 т/т.
3. Удельный рост массы № при применении N28 составляет 0,59 т/т, а для товарного продукта с содержанием N28 63,0-67,0% - 0,37-0,39 т/т.
в.н. анопольский., г.н. фельдштейн, е.г. фельдштейн
умягченной воды [10]. При этом только натрий в количестве 23,0 г/г-экв идет на процесс регенерации, а остальная его масса и все хлориды остаются в отработанном регенерационном растворе. Таким образом, удельный рост массы хлоридов в сточных водах систем умягчения воды в котельных составляет 0,61 т, а натрия - 0,16-0,31 т на 1 т №С1.
Расчеты показывают, что расход чистой поваренной соли на 1000 м3 умягченной воды будет составлять не менее 0,5 т при жесткости умягчаемой воды 5,0 г-экв/м3 и 6,0 т при ее жесткости 20 г-экв/м3. Следует также учитывать, что техническая поваренная соль содержит 80-97% №С1, что на практике ведет к увеличению ее расхода по сравнению с расчетным количеством.
Таким образом, котельные, в которых производится натрий-катионитовое умягчение водопроводной воды, относятся к одним из наиболее значительных источников вторичного загрязнения сточных вод. За отопительный сезон вместе со стоками сбрасывается от нескольких десятков до нескольких сотен тонн натрия и хлоридов. Кроме того, в канализационную систему населенного пункта обычно отводятся также продувочные воды котлов, содержащие то количество натрия, которое эквивалентно удаляемым при умягчении водопроводной воды солям жесткости. Несмотря на такое ощутимое загрязнение сточных вод растворенными ингредиентами, которое связано в основном с применением различных реагентов для водоподготовки, только на небольшом количестве современных котельных предусматривается очистка стоков на локальных очистных сооружениях.
В некоторых котельных производится, кроме подготовки воды для собственных нужд, кондициониро -вание подпиточной воды для тепловых сетей и воды для централизованной системы горячего водоснабжения населенного пункта. При подготовке подпи-точной воды для открытой системы теплоснабжения, когда горячее водоснабжение производится напрямую из тепловой сети, наиболее перспективной считается технология, включающая подкисление, декарбонизацию и деаэрацию водопроводной воды [10]. В соответствии с этой технологией при подкислении воды, поступающей из водопровода, серной кислотой и последующей декарбонизации происходит изменение формы жесткости, которая из карбонатной переходит в некарбонатную форму. В результате такой обработки содержание бикарбонат-ионов снижается до менее чем 0,7 г-экв/м3, но в эквивалентном количестве возрастает масса сульфатов. Эти анионы с горячей водой поступают к потребителю, а затем со сточными водами сбрасываются в систему канализации населенного пункта. Удельный рост массы сульфатов при использовании серной кислоты принимается по табл. 4.
Расход серной кислоты, необходимый для подки-сления водопроводной воды, может быть определен исходя из условия, что на 1 г-экв удаляемых бикарбонатов требуется 49,0 г кислоты. Например, при обработке водопроводной воды с карбонатной жесткостью 5,0 г-экв/м3 необходимо израсходовать 49,0 (5,0 - 0,7) = 210,7 г серной кислоты. Общее количество расходуемой серной кислоты за какой-либо промежуток времени можно найти, зная расход горячей воды в обслуживаемых котельной кварталах.
По действующим нормативам в населенных пун-
ктах с централизованным горячим водоснабжением 40% расхода воды на хозяйственно-бытовые нужды должна составлять горячая вода. К примеру, для города с количеством населения, пользующегося горячей водой из централизованной системы, 100 тыс. чел. среднесуточный расход ее составит 9,2-14,0 тыс. м3 (40% при удельном хозяйственно-питьевом водопо-треблении 230-350 л/сут. на одного жителя). Тогда дополнительная масса сульфатов, поступающих в воду при подкислении, для рассматриваемого примера составит 694-1060 т в год.
Подготовка воды для отдельной от тепловой систе -мы горячего водоснабжения (закрытая система тепло -снабжения) в котельных или тепловых пунктах может предусматривать силикатную обработку водопроводной воды. В результате такой обработки жидким сте -клом горячая вода обогащается натрием и гидрогелем диоксида кремния, который образует защитную пленку на внутренних стенках трубопроводов системы горячего водоснабжения. Удельный рост массы натрия при силикатной обработке воды составляет 0,38 т/т в расчете на и 0,19-0,27 т/т по товарно -
му продукту. Доза силиката натрия по SiO32- принимается обычно 15-35 г на 1 м3 обрабатываемой воды в зависимости от показателей качества водопроводной воды [10]. Из приведенных данных несложно опреде -лить рост массы натрия после силикатной обработки при известном водопотреблении горячей воды.
Очистные сооружения населенного пункта
Сточные воды со сформировавшимся составом компонентов, которые поступают от всех источников, подключенных к централизованной системе канализации, отводятся на очистные сооружения биологической очистки, которых в крупных городах может быть несколько.
В настоящее время в населенных пунктах эксплуатируются очистные сооружения, рассчитанные на:
- неполную биологическую очистку;
- полную биологическую очистку;
- полную биологическую очистку и нитрификацию аммонийного азота;
- полную биологическую очистку, нитрификацию и денитрификацию;
- полную биологическую очистку, нитрификацию, денитрификацию и биологическое дефосфатирование;
- полную биологическую очистку, нитрификацию, денитрификацию и химическое дефосфатирование.
Все процессы биологического окисления органических веществ протекают, как правило, до образования углекислого газа, который отдувается в атмосферу при аэрации сточных вод. В некоторых случаях при неудовлетворительной работе очистных сооружений может возрастать содержание в очищенных водах аммонийного азота.
На очистных сооружениях с нитрификацией происходит окисление аммонийного азота, содержащегося в сточных водах, сначала до нитритов, а затем до нитратов. При окислении 1 г аммонийного азота образуется 4,43 г нитратов, что вызывает значительное вторичное загрязнение очищаемой воды этим компонентом даже без применения реагентов. Поэто -му после нитрификации обычно производится дени-трификация путем биохимического восстановления нитратов до молекулярного азота и углекислого газа.
Биологическое дефосфатирование сточных вод только начинает реализовываться на современных
Табл. 6
теоретическая доза реагентов в г безводного вещества на 1 г фосфора, содержащегося в сточных водах в форме ортофосфатов
Реагент-осадитель Образующееся соединение Произведение растворимо сти Доза реагента, г/г
Алюминий сернокислый Al2(SO4)3 AIPO4 5,8Т0-19 5,61
Железо хлорное FeCl3 FeP04 1,3Т0-22 5,24
Железо сернокислое Fe2(SO4)3 FeP04 1,3Т0-22 6,55
очистных сооружениях. Более широкое распространение получила химическая технология удаления фосфатов. Для этого перед биологической очисткой, во время ее или после завершения процесса сточные воды обрабатывают алюминий-, железо- или каль-цийсодержащими реагентами. В результате такой обработки образуются малорастворимые фосфорные соединения с алюминием, железом или кальцием, преимущественно ортофосфатные соединения. Доза реагентов-осадителей фосфора зависит от многих трудно учитываемых факторов и определяется экспериментально. Тем не менее, эта доза всегда должна превышать стехиометрическую величину (табл. 6), иногда даже в два раза [6]. Поэтому расход реагентов на химическое удаление фосфора сопоста -вим с расходом их на очистку природных вод, в связи с чем рост массы анионных компонентов применяемых реагентов в сбросных водах может достигать десятков и сотен тонн в год даже для небольших населенных пунктов.
Заключение
Подводя итог, констатируем, что, если известен рас -ход реагентов на водоочистку, очистку производственных и хозяйственно-бытовых сточных вод, а также подготовку воды в котельных и тепловых пунктах, можно аналитическим путем определить массу ве-
ществ, участвующих во вторичном загрязнении воды в хозяйственно-производственном цикле населенного пункта. Если к тому же известно потребление хорошо растворимых в воде неорганических соединений населением и предприятиями, то несложно найти об -щую массу компонентов этих соединений, добавляемых к природной составляющей сбросных вод.
Следует также отметить, что в настоящей статье освещены лишь некоторые важные прикладные аспекты проблемы формирования состава сбросных вод населенного пункта. Требуют научной и инженерной проработки вопросы, связанные с уменьшением накопления в сточных водах тех компонентов, которые не извлекаются при очистке стоков. В этом смысле особую актуальность приобретает проблема поиска технологических и технических решений для существенного снижения вторичного загрязнения вод в результате ее хозяйственно-производственного оборота.
Кроме того, большое значение в связи с оценкой степени влияния различных факторов на загрязнение гидросферы приобретает дополнительный учет отвода поверхностного стока с селитебных территорий населенных пунктов и площадок предприятий непосредственно в водные объекты, а также по систе -мам общесплавной канализации и после очистных сооружений поверхностного стока.
литература
1. Анопольский В.Н., Фельдштейн Г.Н., Фельдштейн Е.Г. Некоторые аспекты водоснабжения и охраны гидросферы от загрязнения (по опыту научно-инженерного центра «Потенциал-2»). Часть 1: Водоснабжение // Биосфера. - 2010. - Т. 2. - С. 214-230.
2. Кульский Л.А., Строкач П.П. Техноло-гия очистки природных вод. - Киев : Вища школа, 1986. - 352 с.
3. Николадзе Г.И. Технология очистки природных вод. - М. : Высшая школа, 1987. -479 с.
4. ФрогБ.Н., Левченко А.П. Водоподготов-ка : учебное пособие для вузов. - М. : Издательство МГУ, 1996. - 680 с.
5. Mementotechniquedel'eau (Технический справочник по обработке воды). Том 1 / Ред.: М.И. Алексеев, В.Г. Иванов, А.М. Курганов и др. - СПб. : Новый журнал, 2007. - 816 с.
6. Лихачев Н.И., Ларин И.И., Хаскин С.А. и др. Канализация населенных мест и про-
мышленных предприятий / Ред.: В.Н. Само-хин. - М. : Стройиздат, 1981. - 639 с.
7. ЛукиныхН.А., Луценко Г.Н., Цветкова А.И. Очистка сточных вод механизированных прачечных. - М. : Стройиздат, 1982. - 65 с.
8. Mementotechniquedel'eau (Технические записки по проблемам воды). Том 2. / Ред.: Т. А. Карюхина, И.И. Чурбанова. - М. : Стройиздат, 1983.- С. 609-1064.
9. Анопольский В.Н., Фельдштейн Г.Н., Фельдштейн Е.Г. Некоторые аспекты водоснабжения и охраны гидросферы от загрязнения (по опыту научно-инженерного центра «Потенциал-2»). Часть 2: Охрана гидросферы от загрязнения // Биосфера. -2010. - Т. 2. - С. 336-374.
10. Кострикин Ю.М., Мещерский Н.А., Коровина О.В. Водоподготовка и водный режим энергообъектов низкого и среднего давления : справочник. - М. : Энергоатом-издат, 1990. - 254 с.
