Коричневая сточная вода? Загрязнение воды часть 2
Какая гадость! Некоторые распространенные
загрязнители воды
Поскольку вода является отличным растворителем, она легко «подхватывает» ненужные вещества из самых разных источников.
В Соединенных Штатах Америки вы практически не найдете столько загрязняющих объектов, расположенных в непосредственной близости друг от друга.
Источники загрязнения обычно классифицируются как точечные или неточечные.
Точечные источники — это загрязняющие объекты, имеющие четко определенное происхождение. Распространенными примерами точечных источников загрязнения являются стоки химических производств или необработанные нечистоты на заводе по переработке сточных вод. Точечные источники легко поддаются определению, контролю и регулированию. Государственным органом,
занимающимся такими источниками на территории США, является Агентство по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency — EPA).
Неточечные источники — это довольно расплывчатые по своей природе источники загрязнения. Примерами таких источников являются загрязнение воды, вызванное отходами сельского хозяйства, а также кислотные дожди. Управление такого рода источниками и контроль над ними — задачи намного более сложные, поскольку в этом случае нельзя назвать загрязнителем какую-то конкретную компанию или конкретного человека. Однако следует отметить, что недавно федеральные агентства и агентства штатов попытались определить неточечные источники загрязнения. Одной из попыток уделить внимание отходам и водосборным площадям был план действий «Чистая вода», принятый в 1998 году.
Отвалы при добыче полезных ископаемых
Земледелие
Завод по переработке отходов
Случайные утечки
Удобрения и пестициды
Свалка
Загрязнение тяжелыми металлами
Запасы воды тщательно проверяются на наличие в них тяжелых металлов, которые обычно очень ядовиты. Основными источниками загрязнения тяжелыми металлами служат свалки, промышленные, сельскохозяйственные и горнорудные производства, а также устаревшие системы водоснабжения.
Одним из тяжелых металлов-загрязнителей, о котором последние годы много говорилось в печати, является свинец. Большое количество свинца попадает в атмосферу из-за использования освинцованного бензина. При сгорании бензина происходит окисление тетраэтилового свинца, который используется для увеличения октанового числа бензина, вследствие чего происходит выброс в атмосферу большого количества свинца через выхлопную систему. С дождевыми стоками свинец попадает в реки и там накапливается. Другим источником свинца являются старые водопроводные трубы в муниципальных домах и строениях. Эти трубы обычно соединяются с помощью свинцового припоя, из которого со временем свинец выщелачивается в питьевую воду.
Ртуть попадает в водную среду из соединений этого металла, которые используются для обработки семян от грибка и гнили. Сток с полей вымывает соединения ртути в поверхностные, а иногда даже в грунтовые воды.
Автомобиль также является косвенным источником загрязнения другим тяжелым металлом — хромом. В хромированном покрытии бамперов и решеток используются соединения хрома (такие, например, как CrO42-). Кроме того, для нанесения этого покрытия требуется
еще один основной загрязнитель — ион цианида (CN-). Раньше эти загрязнители вместе с другими отходами производства обычно спускали прямо в реки, но сейчас их предварительно обрабатывают, чтобы получить менее ядовитые вещества или выделить в виде осадка (твердого вещества), который можно вывезти на свалку.
Горнорудная промышленность также вносит свой вклад в проблему загрязнения тяжелыми металлами. При добыче полезных ископаемых месторождения минералов, содержащих металлы, остаются открытыми, что представляет потенциальную опасность для окружающей среды. Если химикаты, используемые при добыче руды или угля, имеют кислую среду, то это приводит к растворению металлов, содержащихся в минералах, и дальнейшему попаданию их в поверхностные, а иногда и в грунтовые воды. В некоторых случаях данную проблему можно решить, если изолировать сточные воды шахт, а затем подвергнуть их дополнительной обработке, чтобы удалить ионы металлов.
Когда промышленные производства выбрасывают в водоемы ионы тяжелых металлов, возникают проблемы, связанные с их биологической концентрацией. При перемещении по экосистеме концентрация ионов металлов увеличивается. (То же самое происходит и с радиоизотопами; см. главу 5, «Ядерная химия, которая поразит ваше воображение».) Изначально концентрация ионов, попадающих в окружающую среду, может быть довольно низкой, однако со временем эти ионы могут попадать в пищевые цепочки, при этом их концентрация может достичь токсического уровня. Нечто подобное произошло в Японии, в бухте Минама-та, куда промышленные предприятия осуществляли выброс ртути. Перемещаясь по экосистеме, этот металл со временем превращался в очень ядовитое метилртутное соединение. В результате отравления этим соединением люди умирали либо становились инвалидами.
Кислотные дожди
Попадая в атмосферу, оксиды азота и серы вступают в реакцию с атмосферной влагой, тем самым образуя дожди, которые могут иметь повышенную кислотность, — кислотные дожди. Эти дожди оказывают влияние на уровень pH в реках и озерах, а также на различные формы жизни в водоемах. Например, в результате кислотных дождей некоторые озера стали абсолютно безжизненными.
Кислотные дожди — это типичный пример неточечного источника загрязнения. Трудно выделить какую-то одну причину, вызвавшую их появление. Устройства для снижения загрязнения воздуха, конечно же, существенно уменьшили количество кислотных дождей, однако не ликвидировали эту проблему полностью. (Более подробно о кислотных дождях речь идет в главе 18, «Кхе-кхе! Ап-чхи! Загрязнение воздуха».)
Инфекционные факторы
В эту категорию загрязнителей входят фекальные колиморфные (coliform) бактерии, содержащиеся в продуктах жизнедеятельности человека, а также птиц и животных. Данные бактерии когда-то были одной из основных проблем в Соединенных Штатах Америки, а также в большинстве регионов мира. Постоянно увеличивающееся количество этих бактерий приводило к возникновению частых эпидемий брюшного тифа, холеры и дизентерии. Обработка сточных вод в индустриальных странах свела эту проблему к минимуму, однако в развивающихся странах она все еще имеет угрожающие масштабы.
По мнению многих экспертов, примерно три четверти всех болезней в мире так или иначе связаны с биологическими загрязнителями воды. Даже сейчас в США и некоторых других странах время от времени закрываются пляжи и озера из-за биологического загрязнения.
Для того чтобы снизить уровень биологического загрязнения воды, принимаются более строгие меры контроля за обработкой воды на муниципальном уровне, за нижними камерами двухъярусного канализационного отстойника и сельскохозяйственными отходами.
Свалки и протекающие подземные резервуары
Свалки — как обычные, так и предназначенные для опасных химических отходов — один из главных источников загрязнения грунтовых вод. Поэтому для свалок, строящихся в наши дни, требуется специальное укрытие, которое предотвратит попадание опасных материалов в грунтовые воды. Также необходимо оборудование для проведения наблюдений за тем, чтобы не произошла утечка опасных материалов. Однако следует отметить, что в Соединенных Штатах Америки лишь небольшое количество свалок оснащены специальными укрытиями и системами наблюдения.
На многих свалках находятся летучие органические химикаты. Среди них бензол и толуол (оба являются канцерогенами), хлорзамещенные углеводороды, например тетрахлорметан (четыреххлористый углерод), а также трихлорэтилен, который раньше использовался в качестве чистящего растворителя. Хотя эти соединения малорастворимы в воде, однако все равно накапливаются в ней в небольших количествах. В настоящее время нельзя с уверенностью сказать, какое воздействие окажут все эти вещества на здоровье людей в будущем.
Многие считают, что токсичные отходы в основном имеют промышленное происхождение, однако в последнее время довольно распространенным » пристанищем» для опасных домашних отходов становятся обычные муниципальные свалки. На эти свалки каждый год попадают следующие токсичные материалы:
S аккумуляторы, содержащие тяжелые металлы, например ртуть;
S масляные краски, в состав которых входят органические растворители;
S моторное масло, содержащее металлы и органические растворители;
S бензин, в состав которого входят органические растворители;
S автомобильные аккумуляторы, содержащие серную кислоту и свинец;
S антифриз, содержащий органические растворители;
S домашние инсектициды, которые содержат органические растворители и пестициды;
S противопожарные датчики, содержащие радиоактивные изотопы;
S средства для удаления лака с ногтей, в состав которых входят органические растворители.
В некоторых городах и штатах для уменьшения количества токсических веществ, выбрасываемых в окружающую среду, создают специальные пункты для сбора отработанных материалов, таких, например, как использованное моторное масло. Однако таких объектов требуется во много раз больше, чем существует сегодня.
Другим источником летучих органических химикатов являются протекающие подземные резервуары. Кто здесь главный виновник? Старые, проржавевшие резервуары для бензина — особенно те, что остались от давно не работающих заправочных станций. Чтобы загрязнить систему водоснабжения небольшого города, достаточно утечки всего лишь одного галлона (примерно 3,785 л) бензина. Согласно недавно принятым федеральным правилам все протекающие резервуары должны своевременно выявляться и подлежат замене, однако серьезной проблемой остаются брошенные станции техобслуживания. По некоторым оценкам, в США до сих пор нужно заменить примерно 200 тыс. резервуаров.
Проблема опасных материалов, находящихся на свалках, и загрязнение водоснабжения побудили Конгресс США одобрить программу «Суперфонд». Цель этой программы — выявление и очистка потенциально опасных свалок. В связи с этим был достигнут некоторый прогресс, но все равно остаются еще тысячи свалок, которые подлежат очистке за колоссальные средства налогоплательщиков.
Альтернативой свалкам являются рециркуляция и сжигание. Некоторые материалы, обычно попадающие на общественные свалки, можно подвергать рециркуляции, например бумагу, стекло, алюминий и некоторые пластмассы, однако здесь предстоит еще многое сделать. Сжигание некоторых материалов можно использовать при производстве электроэнергии, к тому же современные установки для сжигания практически не загрязняют воздух.
Сельскохозяйственное загрязнение воды
Загрязнение воды тесно связано также с сельскохозяйственным производством. Например, чрезмерное применение удобрений, содержащих соединения нитратов и фосфатов, привело к ускоренному росту в реках и озерах водорослей и других растений. В результате происходит постепенное зарастание озера и превращение его в болото, заполненное илом и разлагающимися растительными остатками, которое в конце концов полностью высыхает. В естественных условиях этот процесс занимает десятки тысяч лет, однако в результате антропогенного загрязнения протекает очень быстро. Так, например, в маленьких прудах и озерах под влиянием человека он завершается всего за несколько десятилетий. Такой процесс называется эвтрофикацией.
Кроме того, в водные пути могут попасть пестициды, используемые для обработки полей. Это приведет к их биологической концентрации, особенно фосфорорганических соединений (см. ранее в этой главе раздел » Загрязнение тяжелыми металлами»). Многие из нас еще помнят сообщения о том, какое негативное влияние на рыбу и птиц оказывает ДДТ1. Из-за этого в Соединенных Штатах Америки запрещено использование данного препарата, однако он до сих пор производится и продается в некоторых странах.
Другим видом загрязнения, связанным с сельскохозяйственным производством, является попадание в водные пути почвы и ила. Почва накапливается в воде и нарушает протекание естественных циклов в реках и озерах. Следует также отметить, что с почвой в водные пути попадают различные сельскохозяйственные химикаты.
Загрязнение теплом: термальное загрязнение
Как правило, к основным загрязняющим веществам относят свинец, ртуть, токсические органические соединения и бактерии. Однако к этому списку следует также добавить тепло. С увеличением температуры растворимость газа в жидкости уменьшается. (Более подробно о растворимости газов речь идет в главе 13, «Воздушные шарики, шины и баллоны для аквалангов: чудесный мир газов».) Это означает, что в теплой воде растворяется меньшее количество кислорода, чем в прохладной. Как это связано с загрязнением? Дело в том, что количество кислорода в воде напрямую связано с ее флорой и фауной. Уменьшение количества кислорода, растворенного в воде, вследствие повышения ее температуры называется термальным загрязнением.
На промышленных предприятиях, особенно производящих электрическую энергию, используется гигантское количество воды для охлаждения пара и его конденсации в воду. Обычно вода для этого берется из реки или озера, используется для охлаждения, а затем возвращается обратно в тот же водоем. Таким образом, нагретая вода возвращается прямо в реку или озеро, а повышение температуры может привести, например, к тому, что концентрация кислорода упадет ниже уровня, необходимого для жизни некоторых видов рыб. Повышение температуры воды может также привести » в действие» или, наоборот, прекратить некоторые естественные циклы водоемов, например нерест.
1 Дихлордифенилтрихлорметилметан (ДДТ) — ядовитое вещество; до недавнего времени широко применялся для борьбы с насекомыми и вредителями сельскохозяйственных культур. — Пргимеч. ред.
Согласно федеральным законам, в США запрещено выпускать нагретую воду в реки и озера. Для этого на промышленных предприятиях воду вначале охлаждают в специальных бассейнах или пропускают ее через башенные охладители (градирни). Впрочем, при использовании обоих этих способов много воды испаряется в атмосферу. (И поверьте мне — в Соединенных Штатах Америки имеется довольно много мест, где высокая влажность абсолютно излишня.)
Использование кислорода — БПК
При попадании в воду органического материала, например необработанных сточных вод, органических химикатов или умерших животных, начинается процесс разложения, который представляет собой окисление органических соединений аэробными (т.е. потребляющими кислород) бактериями. В результате из этих соединений образуются вещества с более простыми молекулами, например диоксид углерода и вода.
Для данного процесса требуется кислород, растворенный в воде. Количество кислорода, нужного для окисления органического материала, называется биологической потребностью в кислороде (БПК) и обычно измеряется в частях на миллион (ppm). Если БПК очень высокая, то для процесса разложения используется слишком много растворенного кислорода, а значит, в воде не хватает кислорода для рыб. Это приводит к массовой гибели рыбы, и в результате БПК становится еще выше.
В некоторых ситуациях, когда для выживания аэробных бактерий не хватает кислорода, работу по разложению органического материала берут на себя другие бактерии — анаэробные. Эти бактерии используют не кислород, растворенный в воде, а кислород, который находится в органических соединениях. Жизнедеятельность анаэробных бактерий основана не на окислении отходов, а на их химическом восстановлении. (Об окислении и восстановлении речь идет в главе 9, «Электрохимия: батарейки к чайникам».) Однако во всем этом есть одно «но»: анаэробные бактерии разлагают органические вещества на отвратительно пахнущие соединения, такие, например, как сульфид водорода (H2S), аммиак и амины.
Чтобы предотвратить чрезмерное повышение содержания в водоемах БПК, в большинстве химических производств отходы, которые будут сливаться в воду, предварительно обрабатывают (обычно путем окисления). Аналогичной обработке подвергаются сточные воды городов и прочих населенных пунктов.
Обработка столичных вод
Времена, когда крупные и небольшие города могли сбрасывать в водные пути необработанные сточные воды, в основном ушли в прошлое. И хотя в США на предприятиях по обработке сточных вод время от времени случаются отказы оборудования или возникает » перегрузка» работы вследствие какого-либо природного катаклизма, в результате чего необработанные сточные воды попадают в водоемы, все же это происходит довольно редко.
Однако в остальной части мира ситуация иная. Например, в Южной Азии и большинстве стран Африки лишь незначительная часть сточных вод подвергается какой-либо обработке. Следует отметить, что в США сточные воды, как минимум, проходят первичную обработку, а зачастую также подвергаются вторичной и третичной обработке. Схема первичной и вторичной обработки сточных вод показана на рис. 19.5.
Необработанные-нечистоты
Решетка
Резервуар первичного оседания
Первичная обработка
(
/
Перегородка Решетчатая камера Г~
Осадок It
На сжигание, на свалку \^ Сушильная рама для осадка
Вторичная обработка
N=3
Воздушный насос
Вывод в водоемы
Резервуар вторичного оседания
Резервуар для хлорирования
Рис. 19.5. Первичная и вторичная обработка сточных вод
Первичная обработка сточных вод
В ходе первичной обработки сточные воды подвергаются отстаиванию и фильтрации. Вначале они проходят через систему решеток и перегородок, улавливающих крупные предметы. (Даже в качестве примера не хочу приводить то, что попадается среди этих предметов.) Затем нечистоты проходят через решетчатую камеру, где подвергаются дополнительной фильтрации. И наконец, они поступают в резервуар первичного оседания, в котором происходит обработка растворами сульфата алюминия и гидроксида кальция. Эти два раствора образуют желатинообразный гидроксид алюминия, который, осаждаясь, поглощает грязь и бактерии. С помощью первичной обработки улавливается от 50 до 75% твердых загрязнителей, но при этом БПК уменьшается не более чем на 30%.
Если сточные воды подвергаются лишь первичной обработке, то, прежде чем они вновь попадут в водоемы, к ним иногда добавляют хлор, чтобы уничтожить большинство бактерий. Впрочем, БПК этих вод все равно высокая. Поэтому если в качестве водоема выступает озеро или река с небольшим течением, то высокая БПК может привести ко множеству проблем, особенно если разные города применяют одинаковую систему обработки сточных вод. Этих проблем можно избежать, если подвергать нечистоты вторичной обработке.
Вторичная обработка сточных вод
При вторичной обработке нечистот происходит разложение органических соединений, содержащихся в сточных водах, за счет бактерий и прочих микроорганизмов. Поскольку продукты, вырабатываемые аэробными бактериями (потребляющими растворенный в воде кислород), менее вредные, чем вырабатываемые анаэробными бактериями (потребляющими кислород из органических соединений, а не из воды), для насыщения кислородом сточные воды подвергаются аэрации.
Как при первичной, так и при вторичной обработке образуется материал, который называется осадком; он представляет собой смесь веществ с живыми и мертвыми микроорганизмами. Осадок высушивается, а затем сжигается или удаляется на свалку. Иногда его даже используют в качестве удобрения, разбрасывая на поля с некоторыми культурами.
Но даже вторичная обработка не может удалить некоторых веществ, потенциально опасных для окружающей среды. К ним относятся некоторые органические соединения и некоторые металлы, например алюминий, а также удобрения, например фосфаты и нитраты. Для удаления этих веществ проводится третичная обработка нечистот.
Третичная обработка сточных вод
Третичная обработка является, в сущности, химической обработкой, благодаря которой из сточных вод удаляются мелкие частицы, а также нитраты и фосфаты. Способ проведения данной обработки зависит от вещества, которое нужно удалить. Так, например, для удаления большинства растворимых органических соединений используется фильтрация с помощью активированного угля. Ну а квасцы (Al2(SO4)3), которые, как известно, растворяются с образованием катиона алюминия, используются для осаждения ионов фосфата.
Al3+ + Р043- — А1Р04(т)
Кроме того, третичная обработка также осуществляется с помощью следующих методов: ионный обмен (см. главу 9, » Электрохимия: батарейки к чайникам»), обратный осмос (см. главу 11, «Размешивание вещества: растворы») и дистилляция (см. главу 15, «Нефть: химикаты для горения или строительства»). Впрочем, все эти методы довольно дорогие, поэтому третичная обработка вод проводится только в случаях крайней необходимости.
Однако даже после третичной обработки сточные воды необходимо дезинфицировать, перед тем как они снова попадут в водные пути. Как правило, для этого через воду пропускают газообразный хлор (Cl2), который является чрезвычайно мощным окислителем. Его использование очень эффективно для уничтожения микроорганизмов, вызывающих холеру, дизентерию и брюшной тиф. Однако в последнее время использование хлора для очистки воды оказалось под вопросом. Если в сточных водах остались какие-либо органические соединения, то они могут превратиться в хлорзамещенные углеводороды. А некоторые из этих углеводородов представляют собой не что иное, как канцерогены. Таким образом, в настоящее время тщательно отслеживают содержание в сточных водах соединений, которые могут превратиться в хлорзамещенные углеводороды.
Сточные воды можно также дезинфицировать с помощью озона (O3). Он достаточно эффективно уничтожает вирусы, которые » не по зубам» хлору. Впрочем, применение озона более дорогостоящий способ, который к тому же не обеспечивает продолжительной защиты от бактерий.
Обработка питьевой воды
Среди всех благ современного мира особое место занимает доступность качественной питьевой воды. Однако не всем суждено пользоваться им…
Вода поступает к нам в кран из озера, реки или водохранилища, но вначале она подвергается грубой фильтрации, в результате которой очищается от всевозможного мусора, остатков умерших организмов и т.п. Для осветления воду (обычно речная или озерная вода довольно мутная) обрабатывают смесью квасцов (сульфата алюминия) и извести (гидроксида кальция). Эта смесь образует желеобразный гидроксид алюминия и захватывает взвешенные в воде твердые вещества. В основном такая же обработка происходит на предприятиях по обработке сточных вод (см. раздел «Первичная обработка сточных вод»).
Затем для удаления твердых мелких частиц (этот процесс называется флоккуляция или хлопьеобразование), которые остаются после первичной фильтрации, вода фильтруется снова. Чтобы уничтожить все бактерии, находящиеся в воде, ее подвергают хлорированию. Затем вода проходит через фильтр с активированным углем, абсорбирующим (собирающим на своей поверхности) и удаляющим вещества, которые оказывают влияние на вкус, запах и цвет воды. Чтобы предотвратить порчу зубов, в воду также может добавляться фтор. И наконец, очищенная вода, готовая к употреблению, направляется в резервуары для питьевой воды.