Водные системы промышленных предприятий

Классификация сточных вод промышленных предприятий

Основой всего комплекса мероприятий по охране водоёмов от загрязнения сточными водами является создание и развитие замкнутых систем промышленного водоснабжения, применение маловодных и безводных технологических процессов, а также эффективных способов очистки начальных потоков сточной воды с учётом их повторного использования. На основании требований технологического производства на каждой его стадии определяются требования к качеству воды, что позволяет принимать обоснованные решения по методам локальной и централизованной очистки сточных вод.

Сточные воды представляют собой отработанные воды, дальнейшее использование которых невозможно по техническим условиям либо нецелесообразно по технико-экономическим показателям. При оборотном водообеспечении промышленных предприятий часть сточных вод повторно используется в производстве после их очистки и охлаждения при необходимости. Производственные сточные воды в течение смены могут поступать равномерно и неравномерно, возможны залповые поступления высококонцентрированных токсичных сточных вод. Режим спуска производственных сточных вод определяется регламентом технологического процесса цехов и предприятия в целом, при этом в течение суток могут изменяться отдельные показатели свойств сточных вод.

Сточные воды, отводимые с территории промышленных предприятий, разделяются на три основных вида: производственные, бытовые и атмосферные. Производственные сточные воды — это воды, использованные в технологическом процессе. Они включают две основные категории: загрязнённые и незагрязнённые (условно чистые). Загрязнённые сточные воды могут содержать минеральные, органические, бактериальные и биологические примеси. Бытовые сточные воды — это воды от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, душевых установок и других бытовых помещений. Атмосферные сточные воды — дождевые и талые воды, а также воды, образующиеся при поливе улиц. Атмосферные осадки содержат до 100 мг/л примесей.

Состав сточных вод зависит от характера использования чистой воды в промышленности, условий сбора всех видов вод на территории предприятия или более крупной промышленной зоны. Производственные сточные воды делятся на загрязнённые и незагрязнённые (условно чистые). Загрязнённые производственные сточные воды по характеру содержащихся в них примесей подразделяются на группы: загрязнённые преимущественно минеральными примесями, загрязнённые преимущественно органическими примесями, загрязнённые минеральными и органическими примесями.

В зависимости от концентрации загрязняющих веществ производственные сточные воды делятся на четыре группы: менее 500 мг/л, от 500 до 5000 мг/л, от 5000 до 30000 мг/л, свыше 30000 мг/л. По степени агрессивности сточные воды разделяются на три группы в зависимости от значения pH: неагрессивные (6,5 ≤ pH ≤ 8), слабоагрессивные (6 ≤ pH < 6,5 и 8 < pH ≤ 9), сильноагрессивные (pH < 6 и pH > 9).

Воду в системах производственного водообеспечения в зависимости от назначения разделяют на четыре категории. I категория — вода для охлаждения жидких и конденсации газообразных продуктов в теплообменных аппаратах, в которых она не контактирует с продуктом, лишь нагревается и практически не загрязняется. II категория — вода служит в качестве среды, поглощающей различные нерастворимые и растворимые примеси; вода не нагревается, но загрязняется взвешенными и растворенными веществами. III категория — вода используется так же, как вода II категории, но при этом нагревается (очистка газов в скрубберах, гашение кокса и т.д.). IV категория — вода служит в качестве экстрагента или растворителя химических веществ, например при поглощении оксидов азота в производстве азотной кислоты.

Количество производственных сточных вод зависит от норм водопотребления и водоотведения. Нормой водопотребления считается целесообразное количество воды, необходимое для производственного процесса, установленное на основании передового опыта или научно обоснованного расчёта. Нормой водоотведения является установленное среднее количество сточных вод, отводимых от производства в водоём, при целесообразной норме водопотребления.

В укрупнённую норму водопотребления входят все расходы воды на предприятии как на производственные, так и на хозяйственно-бытовые нужды, на душевые установки и прочие потребности. Укрупнённая норма водоотведения включает в себя все виды выпускаемых в водоём сточных вод: очищенных производственных и бытовых, производственных не требующих очистки, фильтрационных из прудов-осветлителей, хвостохранилищ, шламонакопителей. Укрупнённые нормы водопотребления и водоотведения выражаются в кубических метрах воды на единицу готовой продукции или используемого сырья. Укрупнённые нормы водоотведения в различных отраслях промышленности колеблются в широких пределах: производство цемента — 0,1 м³/т, производство синтетических ПАВ — 1 м³/т, производство бумаги — 37 м³/т, производство вискозного волокна — 233 м³/т.

Количество производственных сточных вод Q в единицу времени рассчитывают по формуле Q = NM, где N — норма водоотведения на единицу продукции или перерабатываемого сырья, м³; M — число единиц продукции или масса перерабатываемого сырья в единицу времени. Количество бытовых сточных вод предприятия определяется расходом сточных вод от душевых установок, от столовых, прачечных и других объектов. Расход душевых сточных вод Qд в смену рассчитывают по формуле Qд = 0,375Mд, где 0,375 — норма водоотведения на одну душевую сетку; Mд — число душевых сеток на предприятии. Значение Mд зависит от санитарных условий технологического процесса и общего числа работающих.

Выбор технологической схемы очистки сточных вод

Выбор оптимальных технологических схем очистки воды представляет собой достаточно сложную задачу, обусловленную многообразием находящихся в воде примесей и высокими требованиями, предъявляемыми к качеству очистки. При выборе способа очистки примесей учитывают не только их состав в сточных водах, но и требования, которым должны удовлетворять очищенные воды: при сбросе в водоём — нормы допустимых сбросов (НДС) и предельно допустимые концентрации (ПДК), а при использовании очищенных сточных вод в производстве — те требования, которые необходимы для осуществления конкретных технологических процессов.

Для приготовления из сточных вод технической воды или обеспечения условий сброса очищенных сточных вод в водоёмы большое значение имеет технико-экономическая оценка способов подготовки воды. Экономическое преимущество имеют, как правило, замкнутые системы водоиспользования. Применяемые схемы очистки должны обеспечивать максимальное использование очищенных вод в основных технологических процессах и минимальный их сброс в открытые водоёмы. При широком внедрении оборотных систем имеются дополнительные резервы по сокращению расхода свежей воды и уменьшению сброса сточных вод в водоёмы путём совершенствования технологических процессов и повышения эффективности очистки сточных вод.

Современные технологии очистки сточных вод в 2024-2025 годах характеризуются переходом от традиционных методов к комплексным решениям, обеспечивающим энергетическую эффективность и получение товарной продукции. Анаэробное сбраживание остаётся одной из наиболее перспективных технологий переработки осадков, позволяющей получать возобновляемую энергию в виде биогаза. Современные метантенки работают в мезофильном режиме при температуре 35-38°C или термофильном при 50-55°C. Термофильное сбраживание обеспечивает более высокую скорость процесса и лучшее обеззараживание осадка.

Системы водоснабжения и водоотведения

Системы водоснабжения представляют собой комплекс сооружений, предназначенных для снабжения потребителей водой. В зависимости от вида объекта системы подразделяются на городские, посёлковые и промышленные и могут обеспечивать водой как один объект, так и группу однородных (локальные) и разнородных объектов (районная или групповая система водоснабжения). Последовательность расположения отдельных объектов системы водоснабжения (водоприёмные сооружения, насосные станции, аккумулирующие ёмкости, сооружения для обработки воды и др.) и их состав могут быть различными в зависимости от назначения, местных природных условий, требований водопотребителя, экономических соображений.

Системы водоснабжения классифицируются по основным признакам: по виду использования природных источников — водопроводы, получающие воду из поверхностных источников (речные, озёрные и т.д.), подземных источников (артезианские, родниковые и т.д.) и смешанного питания; по назначению — коммунальные (городов и посёлков), железнодорожные, сельскохозяйственные, производственные; по территориальному признаку — локальные (одного объекта) и групповые (или районные); по способу подачи воды — самотечные (гравитационные) и с механической подачей воды (с помощью насосов); по кратности использования потребляемой воды — системы прямоточные, последовательные, с оборотом воды.

Вода различными потребителями расходуется на разные цели, которые могут быть подразделены на три основные категории: хозяйственно-питьевые нужды, производственные цели на промышленных предприятиях, пожаротушение. В зависимости от назначения объекта и требований, предъявляемых к воде, а также по экономическим соображениям для всех указанных целей вода может подаваться одним водопроводом (централизованная система) или для отдельных категорий водопотребителей могут быть устроены самостоятельные водопроводы.

Централизованная система водоснабжения населённого пункта или промышленного предприятия должна обеспечивать приём воды из источника, её кондиционирование при необходимости, транспортирование и подачу ко всем потребителям под необходимым давлением. Обычно в городах предусматривают единый хозяйственно-противопожарный водопровод, который подаёт воду для хозяйственно-питьевых нужд промышленных предприятий, а иногда и технических нужд, где требуется вода питьевого качества. В остальных случаях на предприятиях целесообразно устраивать самостоятельные производственные водопроводы с подачей технической воды. Система водоснабжения в процессе работы должна удовлетворять требованиям надёжности и экономичности, что подразумевает подачу воды в заданных количествах, требуемого качества и под требуемым напором с наименьшими затратами без нарушений работы систем.

Водоотводящие системы (схемы канализации) представляют собой комплекс инженерных сооружений для приёма, транспортирования, очистки и обеззараживания сточных вод и выпуска их в водоёмы или для последующего использования в каких-либо целях. Канализационная сеть состоит из следующих основных элементов: внутренние домовые или цеховые канализационные устройства, наружная внутриквартальная или дворовая канализационная сеть, наружная уличная канализационная сеть, насосные станции и напорные водоводы, сооружения для очистки сточной воды, устройство для выпуска воды в водоём.

В зависимости от условий поступления сточных вод в сеть и транспортирования по ней вод различных категорий принимают общесплавную, раздельную и комбинированную системы канализации. Если в канализационную сеть поступают сточные воды всех трёх категорий (бытовые, производственные и атмосферные), то система называется общесплавной. Общесплавную систему водоотведения целесообразно применять для промышленных предприятий с малым расходом воды, если производственные стоки близки по составу к бытовым. Общесплавная система водоотведения имеет одну водоотводящую сеть, по которой объединённый поток сточных вод отводится на единые очистные сооружения. К её недостаткам можно отнести проблемы утилизации осадков различного происхождения, нетехнологичность из-за разного эффекта очистки смеси загрязнителей сточных вод, затруднения при сбросе стока в водоём во время сильных ливней.

Раздельные системы водоотведения могут быть различными и зависят от вида сточных вод, образующихся на предприятии. Они могут иметь несколько водоотводящих сетей. Производственные сети служат для отвода производственных сточных вод от отдельных цехов. Бытовые и дождевые стоки также могут отводиться по самостоятельным сетям. Такая система называется полной раздельной. В раздельных системах возможен совместный отвод нескольких видов сточных вод, например, производственно-бытовой или производственно-дождевой сетями. Такая система будет неполной раздельной. При полураздельной системе строят две сети: одну для отведения бытовых и производственных вод, другую — для атмосферных.

Раздельные системы водоотведения могут быть с локальными очистными сооружениями, с частичным и полным оборотом производственных вод, когда оборотная вода подвергается очистке или охлаждению, с полным оборотом производственных и бытовых, а также всех сточных вод. Раздельная система водоотведения с полным оборотом всех сточных вод называется бессточной системой водопользования или замкнутой системой водного хозяйства промышленного предприятия. Создание таких систем водопользования должно обеспечить рациональное использование воды во всех технологических процессах, максимальную утилизацию компонентов сточных вод, исключение загрязнения окружающей среды, сокращение капитальных и эксплуатационных затрат.

Комбинированная система канализации представляет собой сочетание общесплавной и раздельной систем. Выбор системы канализации должен быть комплексным с учётом всех местных условий, определяющих выгодность её применения в санитарном и экономическом отношениях. Система и схема канализации промышленного предприятия зависят от расхода и состава сточных вод, специфики предприятия, а также от геологических и других условий. Выбор рациональной схемы водоотведения промышленного предприятия является важной и ответственной задачей. Эта система должна предусматривать повторное или последовательное использование технической воды в технологических операциях с предварительной очисткой или без неё, а также оборот охлаждающей воды.

Схемы использования воды на предприятиях

По характеру использования воды системы производственного водоснабжения подразделяются на прямоточные, в которых воду после однократного использования очищают и сбрасывают в водоёмы; оборотные, когда загрязнённую воду очищают и охлаждают, а затем многократно потребляют на том же объекте; с последовательным (повторным) использованием воды, в которых воду, отработавшую в одном технологическом процессе, направляют для вторичного использования в другом производстве, после чего спускают в водоём. Схемы могут быть также комбинированными (смешанными), включающими вышеперечисленные.

При прямоточном водообеспечении вся забираемая из открытого водоёма вода Qист после проведения технологического процесса возвращается в водоём, за исключением того количества, которое безвозвратно потребляется в производстве Qпот. Количество сбрасываемых в водоём сточных вод Qсбр составляет Qсбр = Qист — Qпот. В схеме водообеспечения с последовательным использованием воды количество сбрасываемых сточных вод уменьшается в соответствии с безвозвратными потерями на всех предприятиях или стадиях производства: Qсбр = Qист — (Qпот1 + Qпот2). При прохождении сточных вод через очистные сооружения потери возрастают, поскольку часть воды Qшл отводится вместе со шламом: Qсбр = Qист — (Qпот + Qшл).

Если в системе оборотного водоснабжения промышленного предприятия вода является только теплоносителем и в процессе использования лишь нагревается, но не загрязняется (I категория), то перед повторным использованием она предварительно охлаждается в охладительной установке: пруду, брызгальном бассейне, градирне и т.д. В случае использования воды в качестве растворителя или реакционной среды (II категория) сточные воды перед повторным использованием очищают на очистных сооружениях. При одновременном нагреве и загрязнении воды (III категория) проводится и очистка, и охлаждение.

Наиболее перспективны системы оборотного водоснабжения. Они исключают сброс сточных вод в водоём Qст и являются в настоящее время обязательными для промышленности. При использовании систем оборотного водоснабжения для компенсации безвозвратных потерь воды в производстве Qпот, на охладительных Qун и очистных установках Qшл, а также потерь воды, сбрасываемой в канализацию Qсбр, осуществляют подпитку из открытых водоёмов или других источников водообеспечения. Количество подпиточной воды рассчитывается по формуле Qист = Qпот + Qун + Qшл + Qсбр. Общее количество добавляемой воды составляет обычно 10-15% от её количества, циркулирующего в системе.

Необходимость создания замкнутых систем производственного водоснабжения определяется тремя основными факторами: дефицитом воды, исчерпанием ассимилирующей способности водных объектов, предназначенных для приёма сточных вод, экономическими преимуществами по сравнению с прямоточными системами водоснабжения и очисткой сточных вод перед сбросом их в водные объекты до требований, предъявляемых водоохранным контролем.

Под замкнутой системой водного хозяйства промышленного предприятия понимается система, в которой вода используется в производстве многократно без очистки или после соответствующей обработки, исключающей образование каких-либо отходов и сброс сточных вод в водоём. В замкнутых схемах водоснабжения на предприятиях вместо свежей воды используют охлаждённую незагрязнённую либо очищенную сточную воду. Подпитка замкнутых систем свежей водой допускается в случае, если очищенных сточных вод недостаточно для восполнения потерь воды в этих системах; допускается её расход в технологических операциях, когда очищенные стоки не могут быть использованы по условиям технологии. Свежая вода расходуется только для питьевых и хозяйственно-бытовых целей.

Оборотное водоснабжение можно осуществлять в виде единой схемы для всего промышленного предприятия (централизованная схема), либо в виде отдельных циклов для единого цеха или группы цехов (децентрализованная схема). Потери воды на испарение Qисп в среднем составляют 2,5% от капельного уноса Qун и от 0,3 до 0,5% от объёма оборотной воды. Потери воды на очистке Qоч колеблются в значительных пределах в зависимости от способа её очистки. Для предотвращения накопления солей в оборотной воде часть её, в количестве от 5 до 10%, сбрасывается в водоём (продувка или сброс Qсбр).

Все системы, использующие воду в обороте, целесообразно подразделять на локальные, централизованные и смешанные. В локальных системах вода используется в обороте после применения её в одном или последовательно в нескольких технологических процессах. При централизованном водоснабжении вода после различных операций проходит обработку единым потоком, после чего возвращается в производство. При смешанном водоснабжении воды одной оборотной системы используются в другой. Оборотные системы, работающие без сброса продувочной воды, являются замкнутыми. Применение оборотного водоснабжения позволяет в 10-50 раз уменьшить потребление природной воды, снижает капитальные и эксплуатационные затраты.

Для оценки системы использования воды в производстве целесообразно применять следующие показатели: коэффициент использованной оборотной воды Коб и коэффициент использования свежей воды Ксв. В последние годы наблюдается заметное увеличение оборота воды в промышленности. Коэффициент использования оборотной воды составляет: в чёрной и цветной металлургии — 0,8, на предприятиях химической промышленности — 0,83, целлюлозно-бумажной — около 0,65. Организация замкнутой системы целесообразна, когда затраты на очистку воды и рекуперацию веществ ниже суммарных затрат на водоподготовку и очистку сточной воды до нормативных показателей, позволяющих сбрасывать её в водные объекты без загрязнения последних.

Основные принципы создания замкнутых водооборотных систем

Замкнутые системы водопотребления сегодня представляют собой единственное рациональное решение проблемы использования воды в промышленности. Применение замкнутых водооборотных систем при проектировании предприятий позволяет размещать эти объекты в районах с ограниченными водными ресурсами, но обладающими благоприятными экономико-географическими условиями. Такое инженерно-экологическое направление является наиболее прогрессивным и перспективным, позволяя одновременно решать проблемы водообеспечения и охраны окружающей среды.

Замкнутые системы водного хозяйства следует вводить на вновь строящихся, действующих и подлежащих реконструкции предприятиях. В последнем случае внедрение замкнутых систем идёт поэтапно, с постоянным увеличением оборотного водоснабжения по мере усовершенствования технологии. В целом малоотходное производство с оборотным водоснабжением можно представить в виде комплексной системы, обеспечивающей максимальное извлечение полезных компонентов и минимизацию отходов.

К основным принципам создания таких систем можно отнести следующие. Водоснабжение и канализация должны рассматриваться в совокупности, когда на предприятии создаётся единая система водного хозяйства, включающая водоснабжение, водоотведение и очистку сточных вод как подготовку для их повторного использования. При этом необходимо установить научно обоснованные требования к качеству потребляемой в производстве и отводимой воды. Создание замкнутых систем водообеспечения должно сочетаться с организацией малоотходного производства, технология которого ориентирована на максимальное извлечение из сырья основных продуктов с одновременной регенерацией ценных компонентов и доведением образующихся отходов до товарного продукта или вторичного сырья при минимальных материальных и энергетических затратах.

Потоки сточных вод следует различать по видовому, фазовому, концентрационному, энтальпийному признакам для разработки соответствующих способов локальной очистки каждого потока, вплоть до потоков отдельных стадий технологического процесса. При замкнутых системах следует объединить цехи водоподготовки и локальной очистки предприятия, а также использовать ливневой сток с промышленной площадки в системе оборотного водоснабжения. Основными для водоснабжения должны являться очищенные производственные и городские сточные воды, а также поверхностный сток. Свежая вода в производстве должна использоваться только для особых целей и восполнения воды в системах.

Регенерации должны подвергаться локальные потоки отработавших технологических растворов и сточных вод, при этом должны создаваться локальные замкнутые системы водоснабжения, которые являются основным звеном замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий. Для достижения наилучших технико-экономических показателей при создании замкнутых систем водоснабжения на предприятиях должны прорабатываться вопросы максимального внедрения воздушного охлаждения вместо водяного, многократного (каскадного) использования воды в технологических процессах с целью получения наименьшего объёма загрязнённых сточных вод, регенерации отработанных кислот, щелочей и солевых технологических растворов с использованием извлекаемых продуктов в качестве вторичного сырья, рекуперации и утилизации теплоты технологических жидкостей и растворов путём теплообмена между их горячими и холодными потоками или получением энергетического или технологического пара.

Внедрение стабилизационной обработки воды позволяет предотвратить образование минеральных отложений и биообрастания, ингибирование процессов коррозии, обеспечить оптимальный экономичный режим работы за счёт снижения количества подпиточных и продувочных вод. Разработку замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий желательно осуществлять поэтапно, с постепенным увеличением доли воды, используемой в обороте. Начальным этапом в создании таких систем является определение научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах. В большинстве случаев нет необходимости использовать более дорогую питьевую воду. Для обеспечения санитарно-гигиенической и токсикологической безопасности на предприятиях целесообразно проводить комплексные исследования для разработки оптимальных схем очистки оборотных вод.

Создание экономически рациональных замкнутых систем водного хозяйства на предприятиях является достаточно трудной, но вполне разрешимой задачей. Сложный физико-химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них соединений и их взаимодействие делают невозможным подбор универсальной структуры замкнутых схем. Создание таких систем на предприятиях зависит от особенностей технологии, технической оснащённости, требований к качеству получаемой продукции и используемой воды. При создании замкнутых систем водного хозяйства проектирование систем водоснабжения и канализации промышленных предприятий должно проводиться одновременно с проектированием основного производства.

Условия выпуска производственных сточных вод в канализацию

Если выпуск производственных сточных вод производится в городскую канализацию, то очистка смеси бытовых и производственных сточных вод осуществляется совместно на единых очистных сооружениях. Системы очистки крупных предприятий используются обычно и для очистки сточных вод близлежащих населённых пунктов. Выпуск производственных сточных вод в городскую канализацию регламентируется следующими условиями.

Производственные сточные воды не должны нарушать работу коммунальных сетей и сооружений. Содержание взвешенных веществ в них не должно превышать 500 мг/л. Они не должны содержать вещества, способные засорять трубы канализационных сетей или отлагаться на стенках труб, не должны оказывать разрушающее действие на материал труб и элементы сооружений канализации, не должны содержать горючие примеси и растворённые газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси в канализационных сетях и сооружениях. Производственные сточные воды не должны содержать вредных веществ в концентрациях, препятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоём. Температура производственных сточных вод не должна превышать 40°C. Производственные сточные воды, не удовлетворяющие перечисленным требованиям, следует предварительно очищать, охлаждать или разбавлять до требуемых параметров.

Современная нормативно-правовая база по обращению со сточными водами в России базируется на комплексе федеральных законов, технических регламентов и стандартов. Основой нормативного регулирования служит Федеральный закон № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления», дополненный специализированными требованиями Водного кодекса РФ и закона № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды». В 2024-2025 годах вступили в силу изменения в методике разработки нормативов допустимых сбросов, устанавливающие расширенную ответственность водопользователей. Плата за негативное воздействие на окружающую среду в 2025 году выросла в 1,51 раза по сравнению с 2018 годом, что стимулирует предприятия к внедрению более эффективных систем очистки и замкнутого водооборота.

Методы очистки промышленных сточных вод

Практически всегда очистка промышленных стоков представляет собой комплекс методов. Наиболее широко используется сочетание механической очистки, нейтрализации промышленных стоков, реагентной очистки и биохимической очистки. Эти операции осуществляются практически во всех комплексах очистных сооружений, в том числе и на станциях аэрации при очистке бытовых стоков.

Механическая очистка используется для удаления из сточных вод нерастворимых примесей. Для удаления крупных кусков примесей применяют решётки, на которых происходит осаждение примесей. Для удаления твёрдых частиц, например песка, используют песколовки. В специальных отстойниках происходит осаждение взвешенных частиц на дно. Сбор нефтепродуктов, жиров, смол и других нерастворимых в воде жидкостей с поверхности стоков осуществляют в нефтеловушках, жироуловителях, смолоуловителях, на кварцевых фильтрах, а также с помощью устройств типа механических рук. Для удаления очень мелких частиц применяют фильтры или слой песка примерно 1,5-метровой толщины.

Методы физико-химической очистки сточных вод основаны на изменении физического состояния загрязнителей и в большинстве случаев требуют применения реагентов. Коагуляция — метод, позволяющий увеличить размер загрязняющих частиц, что облегчает их осаждение. Флотация — метод, позволяющий придать примеси плавучие свойства, что облегчает её удаление. Одним из видов обработки сточных вод является реагентная очистка, которая представляет собой сочетание различных типов химических реакций, приводящих к удалению из сточных вод токсичных компонентов.

Нейтрализация сточных вод — это химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора — с помощью кислот. Поскольку химическая природа отходов может быть различной, то для нейтрализации одного вида отходов необходимо уменьшить кислотные свойства, а для другого вида отходов — щелочные. О степени кислотности или щелочности раствора можно судить по значению водородного показателя pH. Самую простую систему нейтрализации можно представить в виде измельчённого известняка, на который выливают раствор кислоты, а осадок собирают в отстойник.

Реакции осаждения — это химические реакции, приводящие к осаждению загрязняющих веществ или ценных компонентов. Сточные воды содержат, как правило, растворённые нежелательные или ценные компоненты. Для их выделения используют реакции осаждения. Очистку сточных вод от ионов некоторых металлов (Cu²⁺, Ni²⁺, Fe²⁺ и др.) можно производить, используя щёлочи. При pH = 8-9 обеспечивается наиболее полное осаждение труднорастворимых соединений меди, никеля и железа. Очистку промывной воды от ионов F⁻ при производстве стекла осуществляют согласно реакции образования фторида кальция. Алюминат, образующийся при травлении или анодировании алюминия, удаляют по реакции с серной кислотой с образованием гидроксида алюминия.

Реакции окисления-восстановления представляют собой одновременное окисление одних компонентов и восстановление других. Наиболее распространённые окислители — кислород или воздух, озон, хлор, гипохлорит, перекись водорода, перманганат калия. Восстановители — хлорит, сульфат железа (II), гидросульфат, оксид серы (IV), сероводород. Окислительно-восстановительные реакции применяют для превращения токсичных веществ в безвредные, а также для извлечения ценных компонентов. Например, в выщелоченных водах, образующихся при извлечении меди из руды, содержится растворённая медь, которая может быть регенерирована при пропускании стока через железный лом.

Методы биохимической очистки применяются для удаления из сточных вод органических веществ. Аэробная биохимическая очистка — это минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворённого кислорода. Наиболее универсальным способом обработки сточных вод является обработка активным илом. Суть этого способа состоит в том, что сточные воды смешивают с илом, образовавшимся в результате предварительного окисления вод. Активный ил представляет собой огромную популяцию различных бактерий, грибков и другой флоры, добавление которой к сточным водам приводит к быстрому установлению равновесия, способствующего разложению органических веществ.

Анаэробная биохимическая очистка (метановое брожение или ферментация) — это минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков в результате его окисления при содействии анаэробных микроорганизмов. Процессы анаэробного окисления протекают без доступа молекулярного кислорода, при этом источником кислорода в воде служат кислородосодержащие анионы. В основе метода лежит способность определённых микроорганизмов в ходе своей жизнедеятельности сначала гидролизовать сложные органические соединения, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и угольную кислоту. Образующийся в результате метанового брожения газ состоит на 65% из метана и на 33% из углекислого газа и может быть использован для обогрева самого метантенка.

После биохимической очистки могут остаться органические вещества, плохо усваиваемые микроорганизмами. Лучший способ их удаления — адсорбция активированным углем, который впоследствии регенерируют. Обычно сточные воды пропускают через колонки с активированным углём, где обеспечивается с ним контакт в течение 20-40 минут. Это весьма эффективный метод, имеющий сравнительно простое аппаратурное исполнение и позволяющий очистить сточные воды до БПК менее 1 мг O₂/л. Адсорбция активированным углём эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков, отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений.

Специальные методы очистки воды применяются для обессоливания природных и сточных вод. К ним относятся дистилляция (выпаривание) — процесс разделения растворов путём выпаривания и последующей конденсации растворителя; вымораживание — метод разделения водных растворов путём их медленного охлаждения, в результате чего в первую очередь выпадают кристаллы льда, практически не содержащие солей; ионный обмен — метод извлечения из воды растворённых в ней солей с помощью ионообменных смол; мембранные методы, к которым относятся электродиализ и гиперфильтрация (обратный осмос).

Обеззараживание воды является последней стадией подготовки воды для питьевых и других нужд и заключается в уничтожении болезнетворных микроорганизмов. Многие годы обеззараживание воды осуществляли, обрабатывая её хлором. Однако при таком способе обработки воды в ней образуются полихлорированные бифенилы, которые являются токсичными веществами. Во многих странах Европы и в США в последние десятилетия перешли к озонированию воды как более экологически безопасному методу обеззараживания.

Характеристика замкнутых водооборотных систем

Необходимость создания водооборотных систем связана с экономическими соображениями. Стоимость очистки сточных вод даже после значительного разбавления очень велика. Если принять стоимость очистки на 90% за одну условную единицу, то очистка на 99% дороже в 10 раз, а очистка на 99,9%, которая требуется чаще всего, будет дороже уже в 100 раз. В результате локальная очистка сточных вод только от характерного для данного вида стоков загрязнения в случае их повторного использования оказывается существенно дешевле их полной очистки, которая осуществляется перед сбросом в водоёмы в соответствии с требованиями санитарных органов.

Для характеристики замкнутых водооборотных систем используется критерий кратности использования воды n = Qисп/Qз, где n — критерий кратности использования воды; Qисп — общий объём воды, потребляемый предприятием; Qз — забор свежей воды предприятием. Чем больше кратность использования воды, тем совершеннее схема водоснабжения. В нашей стране планировалось довести средний по отраслям промышленности критерий кратности использования воды до значений, позволяющих минимизировать забор природной воды и сброс загрязнённых стоков.

Создание замкнутых систем водного хозяйства является весьма трудной задачей. Сложный химический состав сточных вод, разнообразие содержащихся в них химических соединений делает невозможным разработку универсальной бессточной технологической схемы водоснабжения. Можно говорить лишь об общих принципах создания и проектирования бессточных схем водоснабжения. К ним относится разработка научно обоснованных требований к качеству воды, используемой во всех технологических процессах и операциях. В подавляющем большинстве случаев нет необходимости использовать воду питьевого качества.

Максимальное внедрение систем воздушного охлаждения вместо водяного позволяет существенно сократить потребление воды. Большую роль при этом может сыграть внедрение агрегатов большой единичной мощности. Высокоэнергетическое тепло может использоваться для технологических целей, а низкоэнергетическое — для обогрева. Размещение на производственных площадках территориально-производственных комплексов позволяет осуществить многократное каскадное использование воды в технологических схемах и операциях. Многократное последовательное использование воды в технологических операциях должно по возможности обеспечить получение небольшого объёма максимально загрязнённых сточных вод.

Использование воды для очистки газов от водорастворимых соединений целесообразно только тогда, когда из газов извлекают, а затем утилизируют ценные компоненты. Применение воды для очистки газов от твёрдых частиц допустимо только в замкнутом цикле. Современные технологии позволяют не просто утилизировать осадок сточных вод, но и превращать его в ценные биоресурсы, такие как биогаз или компост, который может использоваться в сельском хозяйстве. Таким образом, процесс очищения становится не только экологическим, но и экономически выгодным.