Хотя сейчас многие промышленные предприятия пытаются очистить свои стоки или сделать производственный цикл замкнутым, а производство пестицидов и других токсичных веществ запрещено, самым радикальным и быстрым решением проблемы загрязнения воды будет строительство дополнительных и более современных очистных сооружений.
Обычно на пути потока сточных вод устанавливаются решетки или сита, которые улавливают плавающие предметы и взвешенные частицы. Затем песок и другие грубые неорганические частицы оседают в песколовках с наклонным дном или улавливаются ситами. Масла и жиры удаляются с поверхности воды специальными приспособлениями (нефтеловушками, жироловками и пр.). На некоторое время сточные воды перебрасываются в отстойники для осаждения мелких частиц. Свободноплавающие хлопьевидные частицы осаждают путем добавления химических коагулянтов. Полученный таким образом отстой, на 70% состоящий из органических веществ, пропускается через специальный железобетонный резервуар – метантанк, в котором он перерабатывается анаэробными бактериями. В результате образуются жидкий и газообразный метан, углекислый газ, а также минеральные твердые частицы. При отсутствии метантанка твердые отходы закапываются, сбрасываются на свалки, сжигаются (что приводит к загрязнению воздуха) или высушиваются и используются как гумус или удобрение.
Вторичная очисткаосуществляется в основном биологическими методами. Поскольку на первом этапе органические вещества не удаляются, на следующем – используются аэробные бактерии для разложения взвешенной и растворенной органики. При этом главная задача заключается в том, чтобы привести стоки в контакт с как можно бльшим числом бактерий в условиях хорошей аэрации, так как бактерии должны иметь возможность потреблять достаточное количество растворенного кислорода. Сточные воды пропускают через различные фильтры – песчаные, из щебня, гравия, керамзита или синтетических полимеров (при этом достигается такой же эффект, как и в процессе естественной очистки в русловом потоке, преодолевшем расстояние в несколько километров).
На поверхности фильтрующего материала бактерии образуют пленку и разлагают органику сточных вод по мере их прохождения через фильтр, снижая таким образом БПК более чем на 90%. Это т.н. бактериальные фильтры. Снижение БПК на 98% достигается в аэротанках, в которых благодаря принудительной аэрации сточных вод и перемешиванию их с активным илом ускоряются естественные процессы окисления. Активный ил образуется в отстойниках из взвешенных в сточной жидкости частиц, не задержанных при предварительной очистке и адсорбируемых коллоидными веществами с размножающимися в них микроорганизмами.
Другим методом вторичной очистки является продолжительное отстаивание воды в специальных прудах или лагунах (поля орошения или поля фильтрации), где водоросли потребляют углекислый газ и выделяют необходимый для разложения органики кислород. В этом случае БПК снижается на 40–70%, но требуются определенные температурные условия и солнечное освещение.
Сточные воды, прошедшие первичную и вторичную очистку, еще содержат растворенные вещества, которые делают их практически непригодными для любых нужд, кроме орошения. Поэтому были разработаны и апробированы более совершенные методы очистки, предназначенные для удаления оставшихся загрязнителей. Некоторые из этих методов используются в установках, очищающих питьевую воду водохранилищ. Такие медленно разлагающиеся органические соединения, как пестициды и фосфаты, удаляются фильтрацией прошедших вторичную очистку сточных вод через активированный (порошкообразный) древесный уголь, либо добавлением коагулянтов, способствующих агломерации мелких частиц и осаждению образовавшихся хлопьев, либо обработкой такими реагентами, которые обеспечивают окисление.
Растворенные неорганические вещества удаляются ионным обменом (растворенные ионы солей и металлов); химическим осаждением (соли кальция и магния, которые образуют налет на внутренних стенках котлов, цистерн и труб), смягчающим воду; изменением осмотического давления для усиленной фильтрации воды через мембрану, которая задерживает концентрированные растворы питательных веществ – нитратов, фосфатов и др.; выведением азота потоком воздуха при прохождении стоков через аммиачно-десорбционную колонну; и другими методами. В мире существует лишь несколько предприятий, которые могут проводить полную очистку сточных вод.
Главная цель водоочистки – производство бактериально безопасной воды. Наиболее распространенный способ дезинфекции воды – ввод в нее хлора – сильного окислителя, который добавляется к воде в виде газа или концентрированного водного раствора. Эффективность обработки хлором зависит от ряда факторов, в том числе рН (меры кислотности или щелочности воды), времени обработки, температуры и наличия взаимодействующих с хлором органических веществ. Небольшое количество свободного хлора оставляется в воде на случай попадания загрязнений в потребительскую водопроводную сеть. Поскольку при бытовом использовании воды в водосток сбрасывается много колиформных бактерий, обнаружение этих бактерий служит показателем бытового загрязнения (коли-индекс).
Мутность и цветность устраняются добавлением к воде химически активного вещества и ее последующим отстаиванием. Добавляемое вещество способствует росту малых частиц и превращением их в более крупные, пока под действием собственного веса они не начнут оседать. Такой вынужденный процесс оседания занимает 1–2 ч. Этот процесс образования осадка называется химической коагуляцией. В качестве химически активных веществ используются главным образом соединения, образующие в водном растворе ионы алюминия и трехвалентного железа (сульфат алюминия и хлорид или сульфат трехвалентного железа).
Типичные источники вкуса и запаха природных, бытовых и промышленных вод – микроорганизмы, например водоросли, в поверхностных водах и сульфиды в подземных водах, бедных кислородом. Соединения, имеющие неприятный вкус и запах, обычно удаляются путем добавления к воде активированного угля и последующей седиментации. Можно также подвергнуть такие соединения окислению, например хлором или озоном.
На водоочистной станции, где к воде добавляются химически активные вещества и она отстаивается для удаления примесей, вода также пропускается через песок для фильтрования. Вода и химреактивы-коагулянты тщательно и интенсивно перемешиваются. Через примерно 30 мин вода с укрупненными частицами примесей запускается в седиментационную установку, где большая часть примесей осаждается и удаляется из воды; этот процесс занимает около 2 ч. Осветленная вода направляется в отстойники, где фильтруется через слои песка и гравия и проходит через донную основу. Донная основа не только служит опорой для слоев гравия и песка, но также пропускает воду, периодически используемую для промывки фильтровальных слоев от осадков, оставленных очищаемой водой. Фильтрованная вода хранится в резервуарах или закачивается в водопроводную сеть после заключительного хлорирования.
Проблема уменьшения жесткости воды частично может быть решена путем использования синтетических моющих средств. С помощью химической коагуляции или ионного обмена частично или полностью удаляются создающие жесткость примеси (главным образом бикарбонаты кальция и магния). Этот процесс называется мягчением воды.
В системах химической коагуляции к воде для ее мягчения добавляется известь, которая реагирует с бикарбонатами, превращая их в карбонаты, выпадающие в осадок. Осадок удаляется седиментацией и последующим фильтрованием через песок.
Ионный (точнее, катионный) обмен для мягчения заключается в замещении ионов жесткости, кальция и магния, на ион нежесткости, натрий. На этом принципе основаны домашние системы мягчения воды. С помощью ионного обмена можно, в принципе, заменить все катионы в воде водородом, а все анионы – кислородом. В итоге получится H2O, т.е. чистая вода. Такой процесс называется обессоливанием.
В воде могут быть растворены или взвешены и другие химические элементы или соединения, влияющие на ее качество. Железо извлекается путем окисления кислородом воздуха и удаления нерастворимого соединения седиментацией или фильтрованием. Для магния наряду с аэрацией требуется контакт с адсорбентом. Если железо или магний присутствуют в воде в форме органических комплексов, следует использовать окисление и химическую коагуляцию.
Часто к водопроводной воде добавляется фтор по причине, не связанной с соблюдением основных стандартов безопасности и чистоты питьевой воды. Наличие в воде фтора в очень малой концентрации замедляет образование кариеса зубов, особенно у детей.