Жизнедеятельность человека невозможна без воды в ее жидком виде. Вода составляет до 75 % организма взрослого человека, в сутки человеку необходимо потреблять порядка 2–4 литров чистой питьевой воды для поддержания здоровья и нормального функционирования организма, кроме того, чистая вода нужна для приготовления пищи и т. п. Однако лишь треть населения планеты обеспечена чистой водой. Еще меньшая доля населения потребляет необходимое количество чистой воды ежедневно. Отсюда столь остро стоящая проблема очистки воды: как предварительной (т. е. необходимой для первичного потребления), так и повторной (воды, бывшей в использовании).
Принятой на сегодняшний день классификацией все виды загрязнителей воды разделяют на три большие группы: химические, биологические (биогенные) и физические (антропогенные) загрязнители. К химическому загрязнению относят изменение химического состава самой воды или веществ, ее составляющих. Ключевыми источниками химического загрязнения являются пестициды, нитраты и нитриты, фосфаты, нефть и продукты ее переработки, соли таких тяжелых металлов, как свинец, железо, медь и т. п. Основная опасность, представляемая химическим загрязнением для населения, потребляющего такую воду, является способность всех вышеперечисленных веществ вступать в реакции с клетками организма и выпадать в осадок. Кроме того стоит отметить, что избавиться от химического загрязнения простыми способами очистки — вакуумным, термальным и т. п. — не представляется возможным. Поэтому химическое загрязнение воды находится под жестким контролем и урегулировано согласно ГОСТам и стандартам качества сточных вод многих предприятий [1, c. 325].
Увеличение концентрации болезнетворных микроорганизмов, спор сине-зеленых водорослей и грибковых выше эпидемиологически допустимой нормы приводит к биогенному загрязнению воды. Самым распространенным методом очистки биологически загрязненной воды на сегодня является хлорирование, однако стоит учесть, что при хлорировании воды дозы хлора, необходимого для очистки, должны быть строго нормированы. В противном случае вода приобретает специфичный вкус и запах, и может быть забракована как иммунотоксичная. Также одним из отрицательных показателей хлорирования является высокая коррозийная активность соляной и хлорноватистой кислот, образующихся как продукт процесса хлорирования [2, c. 57].
Под антропогенным загрязнением подразумевается тепловое и радиоактивное загрязнение воды, а также увеличение концентрации нерастворимых взвешенных веществ, попадающих в водоемы в результате антропогенного воздействия [3, c. 108]. Все эти виды загрязнения чреваты уменьшением содержания в воде молекулярного кислорода, плохой растворимостью газов, а также изменением ее химического состава в результате изменения свойств ее компонентов. Все вышеописанные факторы приводят к гибели флоры и фауны водоема, ухудшению качества самой воды [4].
Резюмируя вышесказанное, можно выделить три основные проблемы, требующие рассмотрения:
- Использование пригодных водных ресурсов;
- Отчистка отходов и стоков промышленности с целью предотвращения вторичного загрязнения используемых водных ресурсов;
- Повсеместная очистка воды, а также водных эмульсий, суспензий и т. п. для дальнейшего использования в пищевой промышленности (при изготовлении жидких продуктов питания в частности).
Критерии, предъявляемые к воде, зависят от целей ее дальнейшего использования. Так, вода, используемая в пищевых нуждах (питьевая вода, а также вода для производства жидких продуктов и т. п.) должна иметь нейтральный уровень кислотности (рН ≈ 6,0–7,5), не обладать специфическими привкусами и запахами. В свою очередь вода, используемая для мелиорации полей, должна иметь низкую концентрацию солей с целью предотвращения засоления сельхозхозяйственных полей. Таким образом, решением первой проблемы является мониторинг и контроль водоемов, из которых поступает используемая для различных нужд вода.
Второй вопрос, требующий рассмотрения — вопрос предварительной очистки сточных и промышленных отходов. Можно с уверенностью утверждать, что этот вопрос является в большей степени экономическим и социальным, решение которого, наряду с научной направленностью, должно быть найдено также и на уровне регионального управления.
Основной вопрос, рассматриваемый нами в ходе изучения проблемы очистки жидких сред, является вопрос о вторичной очистке воды, используемой повторно. На сегодняшний день используются несколько основных методов очистки сточных вод: химической, механической, физико-химической и биологической.
Механический метод заключается в том, что из сточной воды с помощью физических процессов отстаивания и фильтрации из воды удаляются механические примеси. Грубые дисперсные частицы в зависимости от размера могут улавливаться следующими механическими аппаратами: решета, сита, песколовки, септики, навозоуловители разных конструкций. Поверхностные загрязнения (мелкие дисперсные частицы) улавливаются с помощью нефтеловушек, бензомаслоуловителей, отстойников и др. При механической очистке удается выделить из бытовых сточных вод до 65–80 % нерастворимых примесей, а из промышленных сточных вод до 95 %.
Химический метод очищения заключается в добавлении в сточные воды различных химических реагентов, вступающих в реакцию с загрязнителями и осаждающих их в виде нерастворимых или плохо растворимых осадков. При химической очистке удается уменьшить содержание нерастворимых примесей до 95 % и растворимых до 25 %.
Физико-химический метод обработки из сточной воды заключается в удалении тонко дисперсных и растворенных неорганических примесей и разрушении органических и плохо окисляемых веществ. Основными процессами физико-химического метода очистки являются коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т. д. Загрязненная сточная вода очищается также при помощи ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления. Большое распространение получила очистка с помощью хлорирования.
Биологический метод заключается в использовании закономерности биохимической и физиологической самоочистки рек и прочих водоемов. Очистку сточной воды проводят в биологических устройствах: биофильтре, биологических прудах и аэротенках.
Кроме того, наиболее высокой степени очистки воды можно достичь, если использовать комбинированные методы очистки. Одними из таких методов является электрохимические и электрофизические методы очистки жидких сред. К таким методам относятся электрокоагуляция, электрофлотация, электрофлокуляция, электроимпульсная обработка и электродиализ [5, c. 109–115].
В ходе проведения исследования нами был рассмотрен метод воздействия на загрязненную воду прямым током — метод электрокоагуляции — как основной метод, используемый для высокоэффективной очистки нефтесодержащей воды. Установка была собрана на основе выпрямителя тока В-24 учебный, способным давать максимальное напряжение 30 В. Анализ результатов проводился рефрактометрическим способом с использованием рефрактометра ИРФ-454 Б2М.
Раствор нефти в воде объемом 250 мл обрабатывался в течении 120 секунд током 1А при напряжении 24 В с интенсивным перемешиванием. В процессе обработки на поверхности раствора появлялась пена, которую можно было удалить сразу по окончании процесса электрокоагуляции обычным фильтрованием через мелкозерновые фильтры. Температура раствора непосредственно перед обработкой составляла 23°С, непосредственно после обработки электрокоагуляцией 38°С.
Для обработки использовались электроды из трех различных материалов: стальные, алюминиевые и угольные.
Для сопоставления результатов была отобрана контрольная группа раствора, которая выдерживалась на протяжении 24 часов обычным отстаиванием и экспериментальная группа растворов, подвергаемая комплексной обработке электрокоагуляцией, фильтрованием и отстаиванием на протяжении 2 часов.
На рисунке 1 представлена зависимость коэффициента поглощения от длины волны после первичной электрокоагуляции.
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения раствора после очистки электрокоагуляцией. Снизу вверх: первый — измерения сразу после проведения электрокоагуляции, второй — измерения после 2х часов отстаивания, третий — после 20 часов отстаивания.
Первые 6 часа раствор отстаивается плохо. После 20 часов отстаивания зависимость коэффициента поглощения увеличивается на 2–3 %. Заменив электроды, мы провели повторную электрокоагуляцию, но теперь уже увеличив ток до 1,5А, а напряжение до 28 В. Время обработки составило 180 секунд при постоянном интенсивном перемешивании жидкости. Температура раствора, после окончания опыта составила 42°С. На дне образовался видимый осадок.
Зависимость коэффициента поглощения раствора после повторной электрокоагуляции представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения раствора после электрокоагуляции. Снизу вверх: первый — измерения сразу после проведения электрокоагуляции, второй — измерения после 2-х часов отстаивания, третий — после 20 часов отстаивания
Как видно из сравнения рисунков 1 и 2, при увеличении тока и напряжения очистка идет эффективнее. Уже после первых двух часов отстаивания зависимость коэффициента поглощения увеличивается с 2 % до 12–15 %.
После проведения 2 опытов мы установили, что увеличение тока, напряжения и времени обработки улучшает качество очистки раствора. В третьем опыте мы заменили стальные электроды на алюминиевые. Ток 1,5А, напряжение 30 В, продолжительность опыта 120 секунд. После окончания опыта температура раствора 400С. Цвет светлее по сравнению с двумя предыдущими опытами. На дне обильные осадки в виде хлопьев. На поверхности малое количество масляных пятен.
Зависимость коэффициента поглощения при электрокоагуляции с применением алюминиевых электродов представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Зависимость коэффициента поглощения при использовании алюминиевых электродов. Снизу вверх: первый — измерения сразу после электрокоагуляции с использованием алюминиевых электродов, второй — измерения после 2х часов отстаивания, третий — после 20 часов отстаивания
Как видно из рисунка качество очистки улучшилось и при отстаивании результаты соответственно лучше. Из этого следует, что метод электрокоагуляции зависит от величины тока, напряжения, времени обработки раствора и от материала, из которого изготовлены электроды.
Из проделанных опытов по очистке раствора методом электрокоагуляции можно сделать выводы, что эффективность электрокоагуляции зависит от материала электродов, анодной плотности тока, состава и скорости движения обрабатываемой жидкости в межэлектродном пространстве. Можно увидеть, что во время очистки происходит нагрев очищаемой жидкости, что ведет к перерасходу электроэнергии при очистке, так как большая часть тока идет на нагрев жидкости.
Литература:
- Sterling R., L. Wang and R. Morrison. «Rehabilitation of Wastewater Collection and Water Distribution Systems.» U. S. Environmental Protection Agency, EPA/600/R-09/048 (2009).
- Воронцов А. И., Николаевская Н. Г. Вопросы экологии и охраны водной среды. — М.: Инфра-М, 2011. — 98 с.
- Рябчиков Б. Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. – М.: ДеЛи принт, 2004. – 328 с.
- Исмагилов Р. Р. Проблема загрязнения водной среды и пути ее решения / Р. Р. Исмагилов // Молодой ученый. — 2012. — № 11. — С. 127–129.
- Бочкарев В. В. Теоретические основы технологических процессов охраны окружающей среды. — Томск: издательство томского политехнического университета. — 2012. — 320 с.
