Использование городских сточных вод для технического водоснабжения

Глава I. Повторное использование сточных вод как гигиеническая проблема

1.1 Биологическое загрязнение сточных вод

1.2 Химическое загрязнение сточных вод

Глава II. Методы обезвреживания сточных вод и проблемы безопасности использования восстановленной воды

Глава III. Современные требования к качеству восстановленной воды

3.1 Типовая технология подготовки и использования городских сточных вод для орошения сельскохозяйственных культур

3.2 Выбор технологической схемы очистки сточных вод

3.3 Состав сточных вод и основные методы их очистки

3.4 Технологический процесс очистки бытовых сточных вод в станции «МОНОБЛОК-Т»

3.5 Очистка сточных вод для различных систем канализации

3.5.1 Схемы и системы канализации промышленных предприятий

3.5.2 Схема канализования поверхностных сточных вод с территорий населенных пунктов и промышленных предприятий

Глава IV. Экологическая оценка эффективности использования осадка сточных вод в качестве удобрения

Литература

Введение

XXI столетие характеризуется интенсивным ростом населения Земли, развитием урбанизации. Появились города-гиганты с населением более 10-ти млн. человек. Развитие промышленности, транспорта, энергетики, индустриализация сельского хозяйства привели к тому, что антропогенное воздействие на окружающую среду приняло глобальный характер. Повышение эффективности мер по охране окружающей среды связано, прежде всего, с широким внедрением ресурсосберегающих, малоотходных и безотходных технологических процессов, уменьшением загрязнения воздушной среды и водоемов. Охрана окружающей среды представляет собой весьма многогранную проблему, решением которой занимаются, в частности, инженерно-технические работники практически всех специальностей, которые связаны с хозяйственной деятельностью в населенных пунктах и на промышленных предприятиях, которые могут являться источником загрязнения в основном воздушной и водной среды.

Глава I. Повторное использование сточных вод как гигиеническая проблема

В настоящее время реальное водопотребление на одного жителя даже при высоком уровне благоустройства не превышает 200-300 л/сут. Расходование воды сверх этого предела в основном связано с нуждами промышленности. Современное промышленное производство является крупнейшим потребителем пресной воды. В США из общего объема забираемой пресной воды в 1975 г. на долю промышленности пришлось 44,1 %, что в абсолютном выражении составило 205,8 км³. Для сравнения можно указать, что в 1940 г.потребление воды в промышленности в этой стране не превышало 72 км. В ФРГ за период с 1960 по 1975г. водопотребление в промышленности увеличилось более чем на 20% и достигло 12214 млн. м³. В нашей стране суммарный расход воды в 1980 г. только в ведущих отраслях промышленности превысил 226 млрд. м³.

Было однозначно показано, что даже при самых больших масштабах строительства очистных сооружений не удастся решить полностью задачу защиты биосферы от вредного воздействия непрерывно развивающегося промышленного производства. Оставался только один путь - создание экологически безвредных технологий, другими словами, безотходных производств. Безусловно, концепция безотходной технологии в некоторой степени носит условный характер. Под безотходной технологией понимается теоретический предел – идеальная модель производства, которая в большинстве случаев может быть реализована не в полной мере, а лишь частично, но с развитием технического прогресса со все большим приближением. Значительно проще в качестве промежуточного этапа создавать экологически безвредные бессточные предприятия на основе замкнутых водооборотных циклов.

Примеры работы отдельных предприятий убедительно показали, что сбросные воды не являются неизбежным результатом промышленного производства, а, наоборот, большие объемы свидетельствуют о несовершенстве технологии. При комплексном использовании на предприятиях очищенных производственных, городских, бытовых и поверхностных сточных вод для технического водоснабжения, т.е. при создании замкнутых систем водного хозяйства, исключается сброс сточных вод в водоемы, а потребление природной воды значительно сокращается.

При интенсивном развитии водного хозяйства доля сточных вод в природных водоемах непрерывно увеличивается. Повторное использование сточных вод ниже их сброса, иначе говоря, косвенное их использование становится вынужденной мерой. В то же время плановая организация целенаправленного повторного использования сточных вод является по сравнению с косвенным прогрессивным мероприятием - основным элементом водосберегающих технологий.

Основная концепция повторного использования сточных вод сформулирована Экономическим и Социальным советом ООН еще в 1958 г. Согласно этой концепции вода высокого качества не должна, за исключением тех случаев, когда она имеется в избытке, использоваться для цепей, которые допускают применение воды более низкого качества.

Накопленный к настоящему времени зарубежный и отечественный опыт показывает, что сточные воды могут использоваться после адекватной очистки для различных цепей. Тенденция повторного использования очищенных сточных вод, начиная с 70-х гг., наблюдается во всем мире.

Наибольшее распространение получила практика использования сточных вод в охлаждающих системах оборотного водоснабжения, на долю которых приходится 75-85 % потребляемой промышленностью воды. Причем особенно перспективны предприятия теплоэнергетики. К примеру в США, в конце 70-х гг. для этих цепей ими использовалось более 600 млн. м³ сточных вод. Широко применяется повторно вода на теплоэлектростанциях Великобритании, активно внедряются оборотные системы водоснабжения на основе использования сточных вод в ФРГ, ЮАР, Израиле и других странах.

Оборудование общественных зданий местными системами очистки сточных вод находит все более широкое распространение в развитых странах (США, Япония). После очистки вода применяется для полива дорожных покрытий, промывки унитазов, мытья автомобилей, охлаждения воздуха в кондиционерах.

Существенное место в зарубежной практике занимают проекты, предусматривающие возможность использования очищенных сточных вод для улучшения ландшафтов, обводнения искусственных и естественных водоемов.

В аридных зонах США, Израиля, ЮАР и других странах проводятся исследования, направленные на разработку технологий получения из сточных вод высококачественной питьевой воды, отвечающей всем предъявляемым к ней требованиям. В ряде районов Калифорнии в течение длительного времени осуществляется пополнение запасов грунтовых вод сточными водами, прошедшими соответствующую подготовку.

1.1 Биологическое загрязнение сточных вод

Приоритет требований безопасности является очевидным, поскольку бытовые и городские сточные воды содержат широкий спектр патогенных бактерий, вирусов, цист простейших и яиц гельминтов. Результаты многочисленных исследований указывают на то, что такие сточные коды, как правило, включают полный набор патогенных микроорганизмов, характерных для жителей данной местности. В этой связи биологическое загрязнение сточных под обусловливает наибольший риск в большинстве случись повторного их использования. Степень этого риска зависит от многих факторов, определяющими из которых являются: вид возбудителя, его вирулентность, концентрация в сточных водах, устойчивость во внешней среде и к действию дезинфектантов, характер возможного воздействия на человека и т.д.

С эпидемиологической и гигиенической точек зрения наибольшую опасность при повторном использовании сточных вод могут представлять энтеровирусы, что объясняется их высокой устойчивостью в воде, патогенными факторами для человека, интенсивным повсеместным распространением и отсутствием мер специфической профилактики.

Водные вспышки вирусных инфекционных заболеваний описаны во многих странах мира. В США в период с 1940 по 1971г. было зарегистрировано 65 эпидемических вспышек гепатита А, причем большая часть из них была обусловлена водным фактором. Как правило, такие вспышки связаны с непреднамеренным косвенным использованием сточных вод (в частности, при использовании воды водоемов, загрязненной сточными водами с высоким содержанием кишечных вирусов, для питья или рекреационных целей, употреблением овощей и фруктов, которые орошались сточными водами.

Оценивая информацию об опасности биологического загрязнения повторно используемой воды, необходимо отметить, что она довольно противоречила и отношении преднамеренного применения сточных под для различных целой. В развивающихся странах сряди сельскохозяйственных рабочих, занятых на обработке полей, орошаемых сточными водами, широко распространены инфекционные кишечные заболевания.

Существенно, что при использовании сточных вод в сооружениях, на которых образуется гидроаэрозоль (градирни, брызгальные бассейны, разбрызгиватели на полях орошения и т.д.), не исключена возможность загрязнения атмосферного воздуха микроорганизмами. В частности, при поливе сельскохозяйственных культур недостаточно очищенными сточными водами в воздухе на значительном расстоянии обнаруживается патогенная микрофлора, она также регистрируется и вблизи городских очистных сооружений. Между тем, известно, какую опасность представляет наличие патогенной микрофлоры в окружающем человека воздухе. Особое опасение вызывает гидроаэрозоль сточных вод в связи с возможностью передачи возбудителя эпидемического пегионеллеза. За годы, прошедшие со времени первого описания пегионеллеза в 1976 г., выявлено большое число случаев данной инфекции и подтверждена существенная роль в ее распространении систем оборотного водоснабжения, кондиционеров, душевых установок. Совсем недавно произошла крупная вспышка пегионеллезной инфекции на заводе резиновых изделий в г. Армавире. Распространение возбудителя в составе гидроаэрозоля из градирен и кондиционеров привело к заболеванию 236 человек.

1.2 Химическое загрязнение сточных вод

При повторном использовании сточных вод, особенно в условиях непосредственного контакта с ними человека, важное значение приобретает химическое загрязнение воды. Сточные воды представляют собой многокомпонентную смесь сложного химического состава, в них обнаруживаются десятки тысяч неорганических и органических соединений, многие из которых способны оказывать неблагоприятное влияние на организм.

К наиболее опасным компонентам сточных вод, в первую очередь, следует отнести тяжелые металлы. В сточных водах крупных промышленных центров определяется до 20 металлов, причем концентрации свинца, хрома, мышьяка, кадмия и др. нередко превышают их ПДК. В пересчете на 1 жителя в такие стоки поступает, мкг/сут: кадмия - 72-192; никеля - 405-1661; хрома - 230-775; свинца - 0,51-6,75; марганца - 6,5-8,2; меди - 3,1-55,8. Массивным источником загрязнения окружающей среды солями тяжелых металлов являются гальванические производства, в сточных водах которых концентрации этих соединений достигают десятков и сотен единиц.

Между тем по классификации Международного агентства изучения рака (МАИР) мышьяк и хром выделены в группу веществ, канцерогенное действие которых установлено наиболее достоверно. Накоплен большой фактический материал, свидетельствующий об общетоксическом, мутагенном и канцерогенном действии кадмия, никеля, бериллия и свинца. Это подтверждено как эпидемиологическими наблюдениями, так и в эксперименте на животных.

Характерной особенностью токсического действия тяжелых металлов является изменение первичных и вторичных структур ДНК. Причем этот эффект наблюдается при воздействии низких концентраций металлов, в частности, на уровне 0,1-0,2 ч/млн. у хрома и ртути, 20-40 ч/млн. у кадмия, кобальта, свинца, марганца. Отсюда понятны существенные нарушения обмена веществ и ингибирование ферментов в организме под влиянием свинца, мышьяка, кадмия, ртути и др.

Широко известны эпидемиологические наблюдения неблагоприятных последствий косвенного использования сточных под, содержащих высокие концентрации металлов. В Японии описаны классические эффекты отравления кадмием с необратимым поражением почек, в дальнейшем получившие название болезни Итай-итай, обусловленные загрязнениями от горнодобывающего комплекса. В этой же стране в 1984 г. были зарегистрированы тяжелые заболевания костно-мышечной системы у жителей, потреблявших рис с полей, орошаемых шахтными водами с высокими уровнями кадмия.

Не меньшую известность получили экологические катаклизмы, связанные с ртутным загрязнением. Установлено, что неорганическая ртуть под действием микроорганизмов сточных вод может превратиться в высокотоксичную метил-ртуть, которая накапливается в пищевых цепочках. Симптомокомплекс, развивающийся у людей, употреблявших в пищу рыбу и моллюски, содержащие метилртуть, получил название болезни Минамата. Для нее характерны тяжелые нарушения со стороны сердечно-сосудистой и нервной систем.

Серьезную угрозу для здоровья населения представляют и многие органические соединения. Достаточно упомянуть, что в городских сточных водах постоянно обнаруживаются полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), нитрозамины, пестициды, полихлорированные бифенилы, сведения об отдаленных последствиях действия которых многочисленны и общеизвестны. К примеру, в сточных водах Стокгольма выявлено около 200 ПАУ, многие из которых (метилированные хризены и фенантрены) относятся к соединениям с выраженными мутагенными и (или) канцерогенными свойствами. Особо опасны N -нитрозосоединения, даже несмотря на то, что их содержание в сточных водах, как правило, не превышает 1 мкг/л. Это обусловлено тем, что N -нитрозосоединения вызывают образование опухолей во многих органах экспериментальных животных, причем действие этих соединений не зависит от пути поступления их в организм.

Следует также учитывать, что городские сточные воды в высокой степени загрязнены нитратами и нитритами, которые под действием микроорганизмов могут превращаться в N-нитрозосоединения. Кроме того, нитриты обладают собственной мутагенной активностью.

В течение длительного времени внимание исследователей концентрировалось на изучении токсических эффектов отдельных соединений, присутствующих в сточных водах. Однако такого рода исследования не позволяют в полной мере определить реальную степень опасности всей суммы загрязнений сточных вод. В этой связи несомненный интерес вызывает изучение действия на организм нативных сточных вод или экстрактов из них. Необходимо отметить, что сведения о таких исследованиях немногочисленны. В 1970 г. появилась одна из первых публикаций о неблагоприятном действии на теплокровный организм бытовых сточных вод. Наряду с биохимическими сдвигами в крови наблюдалось возникновение опухолей надпочечников у белых крыс, получавших сточные воды вместо питьевой воды.

При изучении свойств микрозагрязнений, экстрагированных из речной воды, отобранной в месте сброса сточных вод были получены схожие результаты. К примеру, с помощью теста Эймса установлена значительная мутагенная активность сточных вод, отобранных на 10 очистных станциях штата Иллинойс (США). В дальнейшем длительный анализ с использованием методов газовой хроматографии и масс-спектрометрии подтвердил наличие мутагенов в сточных водах. Авторам удалось идентифицировать более 243 соединений, из которых 20 входят в перечень приоритетных веществ Агентства по охране окружающей среды.

Таким образом, повторное использование сточных вод получает все большее распространение во многих странах мира. Вместе с тем гигиенические последствия применения сточных вод для различных хозяйственных целей, особенно в условиях непосредственного контакта человека с восстановленной водой, далеко не ясны. Результаты экспериментальных и эпидемиологических исследований указывают на существование определенного риска для здоровья населения, обусловленного антропогенным загрязнением сточных вод. В этих условиях высокая степень очистки сточных вод выступает в качестве основного фактора профилактики инфекционных заболеваний и интоксикаций среди контингента населения, подвергающихся прямому или косвенному воздействию сточных вод.

Глава II. Методы обезвреживания сточных вод и проблемы безопасности использования восстановленной воды

В условиях быстрого роста масштабов повторного использования сточных вод адекватная очистка их приобретает не только большое народнохозяйственное значение, но и становится одной из актуальных гигиенических проблем. Причем ключевым вопросом является разработка эффективной технологии водоподготовки, обеспечивающей наряду с надежным обеззараживанием высокое качество воды по химическим и органолептическим показателям.

Очевидно, что после полготовки вода не должна содержать патогенные микроорганизмы и химически опасных для человека концентрациях с учетом условий воздействия при использовании ее для технического водоснабжения. Вместе с тем, существующая практика очистки высокозагрязненных химическими соединениями с крайне неблагоприятными микробиологическими показателями сточных вод крупных промышленных центров на стандартных городских сооружениях в значительной мере исчерпала свои возможности. В большинстве случаев традиционная схема, включающая механическую и биологическую очистку, является недостаточной для обеспечения безопасного повторного использования воды.

Имеется немало свидетельств, подтверждающих справедливость этого заключения. В самом деле, даже городские сточные воды, менее загрязненные по сравнению с производственными, после биологической очистки нередко содержат значительные концентрации химических соединений, далеко не безразличных для здоровья человека, и представляют немалую опасность в эпидемическом отношении (табл.3).

Таблица 3. Показатели качества городских сточных вод после механической и биологической очистки