Содержание к диссертации
Введение
1. Геоэкологическая безопасность хозяйственно- питьевого водопользования как комплексная междисциплинарная проблема 11
1.1. Геоэкологическая безопасность и водопользование 11
1.2. Экологическая проблемав наукахо воде 16
1.3. Системообразующая функция геоэкологии среди современных наук о Земле 18
1.4. Технические и технологические задачи водоснабжения, очистки сточных вод для обеспечения геоэкологической безопасности водопользования 23
1.5. Геоэкологические проблемы нормирования качества вод 26
1.6. Водохозяйственная деятельность в контексте концепции устойчивого развития 36
Выводы 39
2. Состояние водных ресурсов территории. перспективы развития водоснабжения и водоохранной деятельности 43
2.1. Характеристика химического состава поверхностных и подземных в од 45
2.2. Классификация природных вод региона как объектов хозяйственно-питьевого водоснабжении (по способности к очистке) 67
Выводы 78
3. Геоэкологическая оценка антропогенного воздействия на природные воды, прогноз их состояния 80
3.1.Геоэкологические проблемы хозяйственно-питьевого водопользования в Верхнем и Среднем Приобье 86
3.2. Экологическая безопасность при эксплуатации природных вод 118
Выводы 126
4. Методы интенсификации работы систем водоподготовки с учетом региональных особенностей химического состава природных вод 127
4.1 Общность физико-химических процессов, протекающих в природных условиях и при очистке природных и сточных вод 140
4.2.Физико-химические закономерности удаления из воды приоритетных региональных загрязнителей 159
4.3. Разработка технологии очистки и обеззараживания воды на основе комбинирования озонирования, кавитации, электроимпульсного воздействия 168
4.4. Разработка напорного скорого фильтра с автоматическим выбором режимов действия 191
4.5.Интенсификация коагулирования и осаждения загрязнителей воды 209
4.6.Имитационное моделирование процессов коагулирования осадков 220
4.7.Изучение новых фильтрующих материалов 229
В ыводы 238
5. Решение технологических проблем очистки сточных вод и утилизация железосодержащих осадков 240
5.1. Проблемы использования осадков и промывочных вод фильтров 242
5.2. Использование железосодержащих осадков сточных вод в производстве керамики 262
5.3. Использование ЖСО промывных вод для очистки сточных вод 275
5.4. Очистка сточных (ливневых и производственных) вод 279
Выводы 289
6. Качество питьевой воды как комплексная геоэкологическая, социально-экономическая и научно-технологическая проблема 291
6.1. Экологические и медико-социальные проблемы водоснабжения 294
6.2. Комплексный геоэкологический мониторинг для обеспечения экологической безопасности хозяйственно-питьевого водопользования 316
6.3. Экологические аспекты нормирования и регулирования качества воды 322
6.4. Разработка индикаторов устойчивого, экологически безопасного развития хозяйственно-питьевого водопользования как социально-эколого-экономической системы 326
6.5. Разработка концепции геоэкологической безопасности в регионе 332
Выводы 335
Заключение 338
Литература 341
Приложения 368
- Геоэкологическая безопасность и водопользование
- Характеристика химического состава поверхностных и подземных в од
- Общность физико-химических процессов, протекающих в природных условиях и при очистке природных и сточных вод
- Проблемы использования осадков и промывочных вод фильтров
Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы развитие Западной Сибири как сырьевого региона кардинально ухудшило геоэкологическую обстановку в целом и состояние водных ресурсов в частности. Несмотря на огромные, по мировым масштабам, запасы пресной воды в Западно-Сибирском артезианском бассейне, только ничтожно малая их часть (на уровне 2%) полностью удовлетворяет по качеству требованиям экологически безопасного питьевого водоснабжения. Часть городского и более половины сельского населения используют воду ненормативного качества. Принятие России в ЕС влечет необходимость скорейшего решения проблемы обеспечения всего населения чистой питьевой водой, что требует совершенствования и внедрения новых систем водоподготовки, увеличения доли использования подземных вод как более защищенных от загрязнения, а также принятия мер по сохранению и восстановлению водных объектов.
Верхнее и Среднее Приобье характеризуется крайне неравномерным распределением районов добычи полезных ископаемых, развитием селитебных зон, концентрацией объектов химии и нефтехимии, металлургии, машиностроения, предприятий ядерно- и военно-промышленного комплексов. Развитие производственно-территориальных комплексов с высокой концентрацией населения и рост влияния отходов на почвы, поверхностные и подземные воды приводит в условиях дефицита чистой воды к изменению характера водопользования с экстенсивного на интенсивный. Здесь требуется привлечение ранее разведанных запасов подземных вод, что возможно только после их ревизии и экологического аудита, так как возрастающая добыча угля, нефти, газа, не сопровождающаяся реализацией адекватных мер по сохранению, восстановлению и охране недр, водных и почвенных ресурсов от загрязнения и деградации, приводит к ухудшению состояния водоисточников. Интенсивный путь в хозяйственно-питьевом водопользовании предполагает определение оптимального режима эксплуатации водозаборов подземных вод, соответствие технологии водоподготовки показателям качества исходной воды, очистку и утилизацию сточных вод и отходов водоочистных станций, загрязняющих окружающую среду.
Комплексное решение этих вопросов на примере ряда районов Приобья определяет актуальность работы.
Цель и задачи исследований. Целью исследования является разработка теоретических положений и технических решений для обеспечения экологически безопасного хозяйственно-питьевого водопользования с учетом принципов устойчивого развития.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
разработать принципы построения и пути реализации региональной стратегии геоэкологической безопасности хозяйственно-питьевого водопользования;
изучить и проанализировать современное состояние и особенности изменения химического состава природных вод питьевого назначения в урбанизированных районах Приобья под влиянием техногенных и техногенно-природных факторов;
выявить характеристики природных вод, определяющие экологическую безопасность их хозяйственно-питьевого использования с учетом тенденций изменения состава при длительной эксплуатации водозаборов и под влиянием антропогенного загрязнения;
развить и экспериментально обосновать теоретические представления, позволяющие целенаправленно управлять физико-химическими процессами, протекающими при очистке природных вод с характерными региональными загрязнителями (железо, марганец в присутствии органических веществ), разработать на этой основе высокоэффективную технологию безотходной очистки воды;
- выполнить комплексные исследования возможности обработки и использования промыв
ных сточных вод и железосодержащего осадка, образующихся при подготовке питьевой воды.
Исходные материалы и методы исследований. Комплексный характер проблемы потребовал применения системного подхода как методологической основы решения большого круга теоретических и прикладных задач, для решения которых использовались: сбор, обработка, обобщение и анализ литературных и фондовых материалов; полевые экспедиционные исследования;
натурные и экспериментальные исследования состава природных и сточных вод на водозаборах и водных объектах, подверженных техногенному загрязнению; лабораторные исследования осадков станций обезжелезивания и минералов, используемых в качестве фильтрующих загрузок, с помощью комплекса современных физико-химических методов (химического, спектрального, рентгеновскогого, термогравиметрического, ИКС, электронно-микроскопического);
теоретические положения и рекомендации, разработанные в геоэкологии, гидрогеологии, геохимии, физической, коллоидной, аналитической химии и химической технологии;
компьютерные методы обработки данных, проведение имитационного моделирования для получения эмпирических зависимостей между параметрами при воздействии на воду веществ, излучений, полей;
решение прогнозных задач с целью экологической оптимизации хозяйственно-питьевого водопользования.
Научная новизна исследований. Выявлены геоэкологические условия формирования и эволюции состава и свойств природных вод, используемых в регионе для питьевых, хозяйственных, производственных целей. Показана общность физико-химических процессов (сорбция, коагулирование, фильтрование, окислительно-восстановительные процессы, электрокинетические явления, катализ, биохимические реакции), протекающих в природных водах в естественных условиях и при обработке подземных вод, на основе чего выдвинута концепция самоочищения природных вод в технических системах водоснабжения. В соответствии с ней главной задачей в технологии очистки железосодержащих вод является активизация процессов автокоагуляции и седиментации.
Разработаны принципы региональной классификации, учитывающей интегральное воздействие естественных и техногенных факторов на протекание фазовых и биогеохимических процессов в природных водах позволяющей дать комплексную геоэкологическую оценку водному объекту, используемому для хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Углублены и развиты физико-химические основы экологически чистой технологии очистки подземных вод, содержащих примеси железа, марганца, тяжелых металлов, органических веществ природного и техногенного происхождения, что конкретизируется в следующем:
установлены новые взаимосвязи между качественными и количественными показателями состава и свойств воды и условиями обработки воздухом, озоном, электрическим полем: достижение предельного насыщения кислородом и высокой эффективности окисления и деструкции загрязнителей происходит при сочетании вакуумно-эжекционного введения 02 и/или 03 с кавитационным воздействием; электрохимически генерированные ионы железа являются центрами кристаллизации и автокоагуляции, инициирующими образование твердой фазы и адсорбцию загрязняющих веществ;
создана феноменологическая модель процесса химических превращений при удалении из воды железа и выявлены технологические факторы, определяющие структуру блочно-модульной станции очистки воды;
оптимизированы технологические режимы формирования и уплотнения железосодержащего осадка путем импульсного электрохимического воздействия;
предложены способы утилизации железосодержащих осадков водопроводных станций: для получения керамического материала, пригодного для использования в качестве "аборигенной" фильтрующей загрузки при очистке воды; для нейтрализации осадков сточных вод гальванических производств и очистки ливневых сточных вод.
На защиту выносятся:
Концепция обеспечения геоэкологической безопасности хозяйственно-питьевого водопользования в регионе, учитывающая естественно-природные (ландшафтно-климатические, гидрогеологические, экологические и др.), техногенные (эмиссия загрязняющих веществ, гидротехнические сооружения, добыча энергоресурсов и др.) и социально-экономические (уровень урбанизации, финансовое обеспечение и др.) факторы
Региональный классификатор технологий водоподготовки, оптимально согласованных с физико-химическим составом и реакционной способностью компонентов подземных вод.
Концепция автокоагуляционного самоочищения природных вод в технических системах водоснабжения, основанная на способности компонентов, содержащихся в воде (железо, алюминий, кальций, кремний), образовывать при активации коагуляци-онные структуры, адсорбирующие тяжелые металлы, что позволяет при дальнейшем их осаждении и удалении получать воду нормативного качества.
Технологические способы интенсификации осаждения дисперсной фазы суспензии осадков из сточных вод, учитывающие межмолекулярные гидрофобные взаимодействия при электроимпульсном, реагентном и механическом воздействии, а также способы утилизации осадков водоочистных сооружений, позволяющие получать керамические материалы, эффективных при использовании в качестве «аборигенных» зернистых загрузок фильтров и для очистки сточных вод от тяжелых металлов.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут использоваться при принятии решений о производственном и хозяйственно-питьевом использовании водных объектов, размещении производства, создании стратегического резерва питьевой воды, при обосновании и выборе вариантов оптимальной технологии очистки воды, при разработке стратегии экологически безопасного питьевого водоснабжения населения региона, в том числе при чрезвычайных ситуациях. Установленные закономерности техно-
генного преобразования показателей качества вод могут служить основой для разработки водоохранных мероприятий, при совершенствовании системы мониторинга.
Предложены новые способы улучшения качества природных вод и устройства для их осуществления, защищенные 4 патентами РФ. Разработанная комплексная безотходная технология очистки подземных вод с учетом региональных особенностей состава загрязнителей позволяет благодаря блочно-модульному исполнению получать питьевую воду, полностью соответствующую действующим нормативам качества. Начиная с 1994г. по этой технологии созданы и успешно работают 14 водоочистных станций в населенных пунктах Томской области. Благодаря обеспечению населения доброкачественной питьевой водой снизилась социальная напряженность.
Разработана технология утилизации осадка железосодержащих промывных вод в производстве керамического фильтрующего материала (патент №34880). Эффективность применения керамического материала в качестве фильтрующей загрузки проверена на пилотной установке в полупроизводсгвенных условиях на Томском водозаборе, получены положительные результаты.
Результаты научных исследований вошли в отчеты по госбюджетным и хоздоговорным темам, используются в ОГУ "Облкомприрода" и Департаменте природных ресурсов и охраны окружающей среды Администрации Томской области, а также используются в учебном процессе при подготовке студентов инженерно-экологического факультета по специальности "Водоснабжение и водоотведение" в Томском государственном архитектурно-строительном университете.
Личный вклад автора. Решение поставленных в работе задач основано на общении и систематизации результатов многолетних исследований (с 1990 по 2006 г.), выполнявшихся автором в рамках инициативной, хоздоговорной и госбюджетной тематики научно-исследовательских работ Томского государственного архитектурно-строительного университета и Государственного института проблем ЖКХ в районах Севера, Сибири и Дальнего Востока, в том числе по гранту РФФИ №98-05-03150 "Комплексное описание физико-химической эволюции подземной гидросферы в процессе совместной эксплуатации водозаборов и полигонов удаления жидких отходов" (1998-2000гг.), по государственному контракту с Министерством промышленности, науки и технологий Российской Федерации № 32.500.11.2422 от 09.04.2002 "Модульная станция очистки и обеззараживания воды". В диссертацию вошли результаты, полученные ав-
тором лично и в сотрудничестве с научными работниками НИИ Интроскопии ТПУ, ОАО "Надежда" и других организаций. Автору принадлежит формулировка цели работы и постановка задач, обоснование и выбор путей их решения и методик исследований, проведение большой части анализов, интерпретация и обобщение результатов, формулировка научных положений, выносимых на защиту, и выводов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 35 научных конференциях и совещаниях, наиболее значимыми из которых являются: региональная конференция "Проблемы экологии Томской области" (Томск, 1992); Международная научно-техническая конференция "Вода, которую мы пьем" (Москва, 1995); Международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995); Международная конференция "Экологически чистые процессы в решении проблем окружающей среды" (Иркутск, 1996); Международная конференция "Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека" (Томск, 1996); II и Ш Международные конгрессы "Вода: экология и технология" (Москва, 1996,1998); XV Всероссийское совещание по подземным водам Сибири и Д. Востока (Тюмень, 1997); Международная научно-техническая конференция "Экология человека и природы": (Иваново, 1997); 2 Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (Томск, 1997); Международная конференция "Экологическая геофизика и геохимия" (Москва-Дубна, 1998); Международный симпозиум "Контроль и реабилитация окружающей среды" (Томск, 1998,2006); Международная научно - практическая конференция "Водоснабжение и водоотведение: качество, эффективность" (Кемерово, 1998); Международная научно-техническая конференция «Техника и технология очистки и контроля воды» (Томск, 1999); Международная конференция "Экология Сибири, Д. Востока и Арктики (ESFEA-2001)" (Томск, 2001); 4-я Международная научно-практическая конференция "Экономика, экология и общество России в 21-м столетии" (С.-Петербург, 2002); 2-я Всероссийская научная конференция по геологии и нефтегазоносности Западно-Сибирского бассейна (Тюмень, 2002); Всероссийское совещание по подземным водам Востока России (Иркутск, 2003); Всероссийская гидрогеохимическая конференция «Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири», посвященной 100-летию П.А. Удодова (Томск, 2003); Международная научно-техническая конференция "Город: прошлое, настоящее, будущее" (Иркутск, 2004); IV международная научно-техническая конференция "Экология и безопасность жизнедеятельности" (Пенза, 2004); Всероссийская конференция с межд. участием «Экологическая политика и университетское образование» (Томск, 2005); Международная на-
Геоэкологическая безопасность и водопользование
Н.И. Алексеевский с соавторами предложил новое направление в геоэкологии - "гид роэкологическая безопасность" [8, 9] - особое состояние водных объектов территории, при котором природопользование в бассейнах рек не препятствует удовлетворению запросов потребителей, не приводит к негативному изменению здоровья населения, условий существования экосистем. При этом отсутствуют опасные гидрологические процессы в русловой сети, способные представлять угрозу безопасности жизнедеятельности населения, существованию социальных и производственных объектов; обеспечивается бесперебойное и безаварийное функционирование гидротехнических объектов, сохранение оптимальных потребительских свойств водных ресурсов. Авторами [8, 9] выделены 4 типа нарушений гидроэкологической безопасности (ГЭБТ): природный, водохозяйственный, гидроморфологический, экогидроло-гический. Природный тип возникает как результат естественных гидрологических процессов, главным образом связанных с внутригодовыми особенностями колебаний стока воды. Например, в периоды пониженной водности снижается разбавляющая способность водных потоков по отношению к попадающим в них сточным водам. Чрезмерно высокий сток воды также оказывает негативное воздействие. Во время паводков и половодий в гумидном климате уничтожаются и выносятся отдельные виды биоты, увеличивается количество поступающих в реки смытых с поверхности водосборов загрязнителей. Существует потенциальная опасность разрушений нефте- и газопроводов, переполнения хранилищ промышленных и сельскохозяйственных стоков. Игнорирование и недоучет вероятностной природы естественных колебаний стока влекут погрешности в гидротехнических проектах. Таким образом, гидроэкологическим результатом природного типа нарушения ГЭБТ является изменение надежности водообеспечения потребителей, эффективности общественного производства, риска возникновения опасных гидрологических процессов. Вероятность естественных нарушений ГЭБТ относительно невысока.
Водохозяйственный тип обусловлен изменением объема и качества водных ресурсов вследствие природопользования, сброса сточных вод. Наиболее опасно химическое загрязнение. Мерой трансформации химического состава поверхностных вод может служить ГГХЗ-10 - суммарный показатель химического загрязнения. Для фоновых условий ПХЗ-10 1, при экологическом бедствии ПХЗ-1О10 [152], промежуточные значения характеризуют экологический кризис. Значительное и заметное изменение фоновых значений гидрохимических характеристик соответствует возникновению экологического кризиса, сильное и очень сильное - экологического бедствия.
Гидроморфологический тип нарушения ГЭБТ увязан с регулированием и распределением стока воды и наносов, антропогенным нарушением фонового состояния русел рек (русловыправление, разработка карьеров, стеснение водных потоков и т.п.) [8, 9]. Увеличению наносов рек способствует вырубка лесов, осушение болот, распашка и орошение земель, строительство дорог. Водный поток может не справляться с транспортировкой взвешенных частиц, и часть из них присоединяется к донным отложениям, создавая заиление реки, деградацию водных сообществ. Так возникаю локализованные очаги загрязнения речных отложений тяжелыми металлами, токсичными органическими веществами.
Экогидрологический тип нарушения ГЭБТ связан с антропогенным изменением всех или многих вещественных потоков в русловой сети, что вызывает ухудшение качества воды, здоровья населения, состояния водных систем, главным образом из-за сбросов сточных вод в водные объекты.
Обычно указанные типы не встречаются отдельно, а кризисные экологические ситуации складываются в результате их совместного проявления.
Нельзя не согласиться, что "снижение ГЭБТ требует выбора и реализации такой стратегии и тактики природопользования в речном бассейне вообще и водопользования в частности, при которых минимизируется влияние антропогенньж нагрузок при сохранении ресурсного обеспечения устойчивого экономического развития территорий и регионов" [8, 9]. Приведенные рассуждения касались, главным образом, поверхностных вод. Мы будем рассматривать вопросы геоэкологической безопасности хозяйственно-питьевого водопользования с позиций стабильности качества подземных вод, тенденций антропогенного изменения, пригодности для использования, а также взаимодействия "водный объект (источник водоснабжения) - техническая система", имея в виду, что, водозаборное сооружение и вся система водоснабжения, а также водоотведение и очистка сточных вод - технические системы. Кроме того, расширим рамки некоторьж представлений об опасностях и рисках, связанных с эксплуатацией подземных водозаборов, расположенных вблизи потенциальных очагов загрязнения, включая хранилища радаоактивных отходов.
Население, особенно экономически развитых районов, подвержено дополнительному риску вследствие залповых загрязнений воды во время внештатных ситуаций на промышленных предприятиях, при порывах трубопроводов, в результате стихийных бедствий. В воду вследствие производственных аварий и катастроф, а в сельской местности - при нарушении агрохимических принципов поступают химические и бактериальные загрязнители, в том числе высокотоксичные. Зашита биоты и человека от вредного воздействия вод и защита природных вод от техногенного воздействия -две стороны проблемы геоэкологической безопасности.
Характеристика химического состава поверхностных и подземных в од
Поверхностным и подземным водам исследуемой территории посвящено достаточно много работ [6, 17, 18, 57, 59, 60, 61, 98, 101, 102, 122, 147, 158, 182-184, 192, 196, 203, 217, 226, 244, 245, 249-251, 266, 274, 276, 281, 300, 301, 305, 306, 321-323, 337, 343, 344, 351-354, 366, 370, 373, 384, 388, 395, 398, 407, 410, 413, 414, 443 и др.]. Чаще они носят описательный характер. Только после 1985 г. появились публикации по региональным водно-экологическим проблемам, содержащие обобщения, анализ причин тех или иных гидрогеохимических процессов, явлений, фактов. Концом 1990-х годов и 2000-2003 гг. датируются работы, в которых кроме систематического описания гидрогеологических условий, химического состава подземных и речных вод на фактологическом уровне, типизации условий содержатся выводы, прогнозы, гидрогеологическое районирование. Многоуровневый характер гидрогеологической информации о водных объектах предполагает систематику объектов, всесторонний и глубокий анализ на концептуально-фактологическом уровне, что находит отражение в литературных источниках последних лет [395, 410 и др.]. В гидрогеологии наблюдается тенденция перехода к новым принципам гидрогеологической стратификации и районирования, учитывающий разнообразие и иерархию гидрогеологических структур от подземной гидросферы в целом до водоносного пласта и типа скопления подземных вод в массиве горных пород. Для решения геоэкологических проблем водопользования важно объяснить многообразие условий и форм нахождения подземных вод в литосфере, структуру и свойства коллекторов природных вод, особенности процесса водообмена.
Поверхностные воды обширного бассейна Оби формируются под влиянием климатических особенностей, геологических и гидрологических условий, антропогенных факторов, характера почв, состояния лесных массивов, болот, значительные отличия которых в северной и южной частях бассейна создают большое разнообразие типов вод, различающихся естественно-природным составом, наличием техногенных примесей. В Среднем Приобье, в пределах лесных массивов, часто заболоченных, поверхностные воды обогащены органическими веществами, соединениями железа, марганца, кремния. В Верхнем Приобье (степные, лесостепные ландшафты) содержание этих компонентов много ниже, но выше минерализация, количество соединений азота (табл. 2.1., рис.2.1).
Реки, места отбора проб Содержание компонентов, мг/дм3 Взвешенные вещества,мг/дм3 Окисляе-мость,мгО/дм3 Жесткость, ммоль/дм3
В верхнем течении р.Обь характеризуется как "загрязненная". Достигнув пределов Ямало-Ненецкого автономного округа, вода классифицируется как "грязная". В результате трансграничного переноса на территорию Нижней Оби поступают тяжелые металлы с Урала; пестициды, тяжелые металлы и биогенные элементы из Казахстана приносят pp. Иртыш и Ишим; на территориях Томской, Тюменской областей и ХМАО происходит нефтяное загрязнение. Четко прослеживается изменение показателей качества воды по течению вблизи урбанизированных территорий, в местах расположения нефтепромыслов.
В 2000-2004гг. превышение ПДК в поверхностных водоисточниках бассейна р.Обь в среднем составляло: по легкоокисляемым органическим веществам, характеризуемым БПК-5, 43-47%; по фенолам - 46-54%; по нефтепродуктам - 62-72%; по азоту аммония - 62-72%, нитритов - 43-52%; по содержанию железа - 68-69%,меди -78-91%, цинка - 67-82%.
На основании материалов Томской и других СИГЭКиА по степени загрязнения поверхностных вод нефтепродуктами на территории Западной Сибири A.M. Адамом выделены четыре зоны экологической опасности [1]. Республика Алтай, южные районы Алтайского Края и Кемеровской области относятся к первой зоне с удовлетворительной ситуацией (превышение содержания нефтепродуктов не более 1-5 ПДК). Часть территории Алтайского Края, районы на территории Кемеровской, Новосибирской, Омской, Томской, Тюменской областей относятся ко второй зоне, характеризующейся неудовлетворительной ситуацией с 5-50 ПДК нефтепродуктов в воде. Третья зона - с чрезвычайной экологической ситуацией (50-100 ПДК нефтепродуктов), к ней относится большая часть ХМАО и ЯНАО. Отдельные участки районов добычи нефти Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов относятся к зоне экологического бедствия, это четвертая зона с превышением нормативного содержания нефтепродуктов более чем в 100 раз. Зоны экологического бедствия и чрезвычайной ситуации занимают около 40% от общей площади региона, они находятся в местах нефтедобычи. Зоны с неудовлетворительной ситуацией охватывают 50% территории и связаны с деятельностью промышленности и жилищно-коммунального комплекса.
В Алтайском Крае на протяжении 20-30 лет большинство рек и озер, в которых вода характеризуется как "загрязненная" и "грязная", испытывают негативное воздействие со стороны предприятий Минобороны, химической промышленности, ракетно-космической отрасли
По данным мониторинга поверхностных вод, проводимого ГУ "Кемеровский областной ЦГМС", реки бассейна р.Томь на территории Кемеровской области загрязнены нефтепродуктами, фенолами, соединениями азота, железа, меди, цинка [63]. Основными источниками их поступления являются сточные воды предприятий горнодобывающей, топливно-энергетической, коксохимической, металлургической, химической промышленности, агропромышленного комплекса и коммунального хозяйства.
Общность физико-химических процессов, протекающих в природных условиях и при очистке природных и сточных вод
Физические и химические процессы самоочищения воды в природе часто регулируются биологическими факторами или существенно зависят от них. В природной воде все процессы, участвующие в очищении воды, важны, но значимость каждого может меняться во времени. Факторы и процессы, определяющие самоочищение воды, взаимосвязаны. Они могут накладываться друг на друга, усиливая или ослабляя общий эффект. Выделение индивидуальных факторов и процессов не всегда возможно, оно выполнено нами с целью детализации общей структуры механизма самоочищения воды. В свою очередь, все методы обработки воды можно объединить в четыре большие группы: механические (фильтрование, регенерация, для стоков - центрифугирование); физические (основанные на воздействии на водную систему внешнего поля, например, магнитного, электрического, гамма-, УФ-, УЗ - облучения и т.п.); химические (реагентные, основанные, как правило, на выделении в осадок или окислении и/или деструкции загрязнителей, эти методы требуют оборудования для приготовления, дозирования, смешивания специально вводимых в водную среду веществ); биологические (их сущность - в использовании для очистки воды и стоков способности живых организмов участвовать в процессах минерализации и других биохимических превращений компонентов водных растворов). Часто применяют не чисто физические или химические методы, а физико-химические (адсорбция, ионный обмен), а также комбинации указанных методов.
Выполненный анализ (табл.4.2) позволяет перейти к решению следующей задачи: как максимально учесть в технологии обработки воды природные ее особенности, заставить работать на осаждение и адсорбцию сами компоненты природной воды, т.е. осуществить эндогенные процессы. Природная вода уже содержит в своем составе "предтечи" и коагулянтов, и флокулянтов. Это соли железа, алюминия, кремний-кислородные соединения. Можно достичь активизации самопроизвольного выделения из воды нежелательных растворенных компонентов в виде твердой фазы при воздействии на воду излучений, электрических, магнитных полей. Известно, что даже слабые воздействия такого рода значительно влияют на характер и степень физико-химических превращений в водных средах.
Роль железа во многих природных процессах велика, как это было показано выше. Однозначно считать его главным региональным загрязнителем ошибочно. Как известно, соли железа используются для очистки воды коагулированием, при этом они специально вводятся в обрабатываемую воду. В природных водах Западной Сибири железо - постоянный компонент ее состава. Мигрируя и осаждаясь в природной среде, железо участвует в регулировании окислительно-восстановительных условий, адсорбирует и перераспределяет множество веществ. Малая изученность этих процессов (в силу трудоемкости необходимых для этого экспериментальных работ) не позволяет нам сегодня в полной мере воспользоваться природными законами в развитии техники обезжелезивания. Сказанное подтверждается следующими фактами. Общепринято, что кроме барьерной, фильтрующий материал играет роль катализатора, т.к. на активных центрах поверхности ферри-оксигидроксидной пленки, покрывающей зерна загрузки, происходит автокаталитическое окисление двухвалентного железа. Если до фильтрования вода не обрабатывалась дезинфектантами, то на оксидной пленке также происходят процессы жизнедеятельности колоний железобактерий, и благодаря биохимическим реакциям также осуществляется процесс перехода ионов железа Fe+2 - Fe+3. Зерна фильтрующей загрузки покрываются слоем гетита FeOOH, имеющим большую адсорбционную способность, т.к. у него очень развита удельная поверхность. Её формирование связано как с физико-химическими, так и с биохимическими процессами. В горных породах водоносного горизонта и в природной воде всегда присутствуют микроорганизмы. Эти же организмы развиваются на зернах фильтрующего материала. При микробиологическом исследовании продукты жизнедеятельности микроорганизмов фиксируются как на поверхности загрузки, так и на оторвавшихся от нее хлопьях осадка. Таким образом, только при глубоком понимании механизмов взаимосвязанных физико-химических и биогеохимических процессов, протекающих в природных водах, можно управлять ими.
Проблемы использования осадков и промывочных вод фильтров
Трудность очистки воды от металл-органических соединений объясняется наличием гидратной оболочки у коллоидных частиц, что не позволяет им близко подойти друг к другу и препятствует их соединению в более крупные агрегаты.
Устойчивость коллоидов понижается вследствие нейтрализации электрического заряда. Этому способствуют: - повышение температуры (т.к. способствует снижению адсорбции ионов, придающих заряд коллоидам; - присутствие электролита; - изменение рН (в основном это относится к коллоидам, адсорбирующим на поверхности анионы слабых кислот; при уменьшении рН, т.е. повышении содержания ЬҐ-ионов, происходит соединение ионов водорода с анионами слабых кислот, заряд коллоида снижается и может быть даже полностью нейтрализован);
- удаление молекул растворителя от коллоидных частиц высаливанием с помощью больших концентраций электролита (частицы приобретают свойства лиофобного коллоида, разрушаются при разряжении, и происходит коагуляция коллоида);
- разрушение при хлорировании и озонировании гумусовых веществ, стабилизирующих неорганические суспензии (гидроксидов алюминия и железа, глинистых частиц). Окисление фенольных гидроксилов озоном улучшает коагуляцию, так как менее гидратиро-ванные карбонильные функциональные группы снижают защитные свойства гумуса по отношению к гидрофобным коллоидам.
Разрушение устойчивости коллоидных систем в переменном низкочастотном поле известно давно. Согласно теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО), устойчивость большинства эмульсий объясняется наличием поверхностного заряда частиц, возникающего за счет специфической адсорбции ионов. В результате электростатического взаимодействия между заряженными частицами возникает расклинивающее давление, препятствующее их слипанию. При действии электрического поля наблюдается ряд физико-химических эффектов, связанных с поверхностной нейтрализацией заряда частиц.
Электроимпульсное воздействие позволяет существенно влиять на процесс ми-целлообразования, получение агрегатов (хлопьев), их размеры и способность быстро оседать. В последние 20 лет значительно возрос интерес к обработке дисперсных систем электрическим и магнитным полем, импульсным разрядом [11,69,74,180,204,210,225,252-254,272,278,279,337,393,421 и др.]. Многие из публикаций носят качественный характер и рассматривают лишь отдельные стороны процессов. Теоретической основой развития электрохимического направления водоочистки являются теории, описанные в работах [12, 69, 82, 85, 237,310,313,320,415,423 и др.]. Среди других видов обработок электроимпульсное воздействие наиболее эффективно для подземных вод региона. В целом, всеми авторами отмечается, что электроимпульсный разряд в жидкости представляет собой сложный процесс, сопровождающийся ионизацией молекул вещества, химическими реакциями, образованием свободных радикалов, способствующих окислению дисперсной фазы, нарушению устойчивости коллоидных систем.
Возможность реализации электрического разряда для целей водоочистки изучена в работах Рукобратского Н.И., Грановского М.Г., Лаврова И.С, Смирнова О.В., Кульского Л.А. и др. Показано решающее влияние низковольтной проводимости на процессы, протекающие в воде при наложении электрического поля, достаточного для получения высоковольтного разряда. В коллоидных системах подвижность ионов и частиц имеет один и тот же порядок, а проводимость системы связана с концентрацией дисперсной фазы, которая может изменяться, например, из-за образования в водной среде продуктов ионизации материала электродов. Продукты разрушения электродов, поступая в дисперсионную среду, в зависимости от коллоидно-химических свойств системы, могут вызывать гетерокоагу-ляцию, а в некоторых случаях, наоборот, гетеростабилизацию.
Среди факторов, определяющих бактерицидное действие электрического разряда, авторы [157, 253, 313, 393, 423] выделяют радиационное и тепловое излучение; радикальные продукты; сильные электрические поля, вызывающие нарушение ионного транспорта через оболочку микробного тела; ударные волны.
При выборе оптимального режима электрообработки гидродисперсий необходим учет совокупности поляризационных эффектов, протекающих на электродах. Основными параметрами электрического поля, определяющими эффект очистки и обеззараживания воды, являются напряженность и частота. Воздействие электрическим разрядом малой мощности является универсальным с точки зрения улучшения многих показателей качества воды. Большое значение имеет правильный выбор анодных материалов, которые должны иметь высокую электропроводность, механическую прочность и легко обрабатываться.