Методы защиты гидросферы. Гидросфера. Защита гидросферы. Поверхностные сточные воды

Свойства воды и глобальный водообмен.

Гидросфера играет важнейшую роль в поддержании относительно неизменного климата на планете, поскольку она выполняет следующие важнейшие функции:

§ выступает как глобальный аккумулятор тепла в экосистеме Земли (теплоемкость воды в 3300 раз выше, чем у воздуха, поэтому поверхностные океанические воды - главный накопитель и распределитель солнечной энергии, обеспечивающий постоянство средней планетарной температуры атмосферы);

§ продуцирует почти половину всего кислорода атмосферы за счет фитопланктона, обитающего в Мировом океане.

Водная среда используется человеком для лова рыбы и других морепродуктов, сбора растений, добычи из руды подводных залежей (марганца, никеля, кобальта) и добычи нефти на шельфе, перевозки грузов и пассажиров. В производственной и хозяйственной деятельности человек применяет воду для очистки, мытья, охлаждения оборудования и материалов, полива растений, гидротранспортировки, обеспечения специфических процессов, например, выработки электроэнергии и т.п.

Природные воды подразделяют на два больших класса: пресные и соленые. Пресной называют воду, в 1 кг которой содержится не более 1 г солей. Остальные природные воды относят к солёным, на долю которых приходится 97,5% всего мирового запаса воды.

Концентрация растворенных в воде солей определяет степень ее солености (жесткости). В океанических водах концентрация растворенных веществ в среднем в 175 раз превышает таковую в водах рек и озер (из этого не следует, что не может быть сильно опресненных морских вод и сильно засоленных озерных и даже речных вод).

Несмотря на огромные запасы природных вод на Земле лишь незначительная часть их оказывается доступной и пригодной для практического использования. Это, прежде всего, пресная вода. Если к ежегодному потреблению человеком пресной воды в 60 т добавить еще 300 т воды, необходимых для удовлетворения других его жизненных потребностей, то годовое потребление пресной воды на одного жителя планеты составит 360 т/г. Из этого следует, что ограниченные единовременные запасы пресной воды могли бы быть исчерпаны в течение 3…4 месяцев. Однако запасы пресной воды на Земле непрерывно пополняются под действием естественных природных сил и прежде всего глобального водообмена.

Глобальный водообмен включает в себя как водообмен в системе океан – материки, когда вода, испаряясь с поверхности океана, переносится ветрами на континенты и с речным стоком снова возвращается в океан, так и локальные круговороты воды в отдельных ландшафтах, когда испарение воды приводит к облачности и выпадению осадков.

Солнечная энергия, затраченная на испарение воды, после выпадения осадков преобразуется в кинетическую энергию рек и ручьев. На указанный процесс затрачивается очень большое количество солнечной энергии, по некоторым оценкам, от 20% до трети того, что Земля получает от Солнца.

Над Мировым океаном осадков выпадает меньше, чем над материками, но для планеты в целом осадки уравновешиваются. Баланс воды между континентами и океанами поддерживается преимущественно стоками. При этом на испарение приходится до 65%, а на поверхностные стоки – до 35% воды, участвующей в кругообороте.

Испарение воды – важнейший процесс в ее кругообороте. Вода испаряется с поверхности как океанов и почвы, так и листьев растений после поглощения корнями. Количество воды, транспирируемой растениями, значительно. Вся наземная растительность отдает в атмосферу за год от 27 до 30% общего количества влаги, получаемой сушей планеты в виде осадков.

Развитие цивилизации изменяет естественный круговорот воды, прежде всего из-за изменения баланса транспирируемой воды, а также образования такого промежуточного звена, как техническое водопотребление. Особая роль в этом процессе принадлежит орошению – искусственному увлажнению почвы и поверхности растений путем подачи воды из водного источника в целях обеспечения растений влагой, промывки почв и регулирования их солевого режима.

70% потребляемой людьми пресной воды используется в земледелии. При этом 60% воды, применяемой для орошения, не доходит до полей.

Общая площадь орошаемых земель мира более 230 млн. га. Орошаемые земли по меньшей мере вдвое продуктивнее неорошаемых: составляя шестую часть обрабатываемых земель, они приносят треть всех урожаев.

Особо следует учитывать, что интенсивность транспирируемой влаги зависит от вида растительности. Так, за вегетационный период с 1га орошаемых земель пшеница транспирирует 6000 т воды, рис – в 4,6 раза больше, а хлопок – в 6,7.

Для экономии воды на орошение необходимо применять прогрессивные методы. Наиболее экономичным и эффективным методом орошения является подпочвенное капельное, когда вода по системе специальных труб, заложенных в толще почвы, подается к корневой системе растений.

Загрязнение гидросферы

Наиболее опасными загрязнителями гидросферы с точки зрения их воздействия на природные экосистемы являются углеводороды (сырая нефть, нефтепродукты), токсичные металлы, хлорированные углеводороды (в первую очередь пестициды), радиоактивные вещества. Из других загрязнителей гидросферы необходимо упомянуть детергенты (моющие средства) и фенолы.

Загрязнение природных вод нефтью и нефтепродуктами. К числу наиболее распространенных и вредных загрязняющих веществ относятся нефть, ежегодное поступление которой в моря и океаны, по данным ООН, достигает 6…7 млн. т. Ожидается дальнейший рост загрязнений нефтью из-за постоянного увеличения объема ее добычи, особенно на континентальном шельфе.

Сырая нефть – это смесь химических веществ, содержащая 200-300 компонентов. Нефть на 50-98% состоит из углеводородов, содержит до 4% серы, до 1% азота и кислорода. Углеводороды нефтей (нефтепродукты) делятся на три группы: алканы (25%); циклоалканы (нафтены) (30-60%); ароматические и полиароматические (ПАУ) (до 5%). Наиболее токсичной частью являются ПАУ. В биосфере содержится несколько десятков ПАУ (всего эта группа содержит более 200 соединений). Наиболее распространен и токсичен 3,4-бенз(а)пирен (БП) (кроме него антрацен, пирен, хризен и др.). Фоновый уровень ПАУ - 1нг/л, в Балтийском море - 100 нг/л. Особенно высок уровень содержания ПАУ в донных отложениях.

Основные источники нефтяных загрязнений морской среды: транспортные перевозки; вынос реками; промышленные и городские отходы, отходы нефтеперерабатывающих заводов. Существуют и природные источники нефтяных загрязнений. Одним из основных антропогенных источников является морской транспорт, прежде всего танкерный. В мире задействован гигантский танкерный флот общей вместимостью более 120 млн. брутто-регистровых тонн – это свыше трети вместимости всех морских транспортных средств. Сейчас плавают 230 судов грузоподъемностью от 200 до 700 тыс. т каждое. Это представляет колоссальную потенциальную опасность для вод Мирового океана. По известным данным, из-за аварий на танкерах в моря и океаны поступает примерно 5% всей перевозимой нефти. Подсчитано, что если 200 тыс. т нефти попадет в Балтийское море, то оно будет превращено в биологическую пустыню.

Огромное количество нефти попадает в море в результате сброса с судов промывочных, балластных и льяльных (трюмных) вод, а также потерь при погрузке и разгрузке танкеров. По этим причинам в морях и океанах ежегодно оказывается около 3 млн. т нефти. При этом в основном загрязняются территории портов, припортовые акватории, прибрежные районы и районы интенсивного судоходства.

В начале третьего тысячелетия подводные скважины будут давать 50% добываемой в мире нефти. При морской нефтедобыче возможно загрязнение морской среды вследствие аварий, а также мелких утечек нефти (оцениваемых в 0,1 млн. т ежегодно). Очевидно, что этот источник представляет огромную потенциальную опасность, и его роль в формировании нефтяных загрязнений морей и океанов со временем будет увеличиваться.

Источником нефтяных загрязнений вод являются береговая промышленность, и в первую очередь нефтеперерабатывающие заводы. Хотя сточные воды промышленных предприятий очищаются, полной очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов достичь не удается.

Большое количество нефтепродуктов попадает в океанические бассейны из атмосферы. Например, двигатели внутреннего сгорания, которыми оснащены различные транспортные средства, выбрасывают в воздух в год более 50 млн. т различных углеводородов.

Как отмечалось выше кроме техногенных источников, имеются и природные. Естественные выходы нефти образуются в местах ее просачивания из нефтеносных слоев через земную кору. Такие выходы известны у берегов Южной Калифорнии, в Мексиканском и Персидском заливах, Карибском море. Скорость поступления нефти из естественных выходов обычно невелика, поэтому таким путем в моря и океаны попадает сравнительно небольшое количество нефтяных углеводородов, а основную массу загрязнений Мирового океана (более 90%) поставляют источники антропогенного происхождения.

Поля нефтяных загрязнений, формирующие локальные зоны, остаются устойчивыми во времени, поэтому в их распространении огромную роль играют океанические циркуляции. Именно они переносят нефтяные загрязнения в наиболее чистые районы Мирового океана, в том числе и в Северный Ледовитый океан.

Поступившие в воду нефтепродукты деградируют в результате химического, фотохимического и бактериального разложения, а также деятельности некоторых морских организмов и высших растений. Однако «процесс» естественной нейтрализации нефтепродуктов достаточно длителен и может занимать от одного до нескольких месяцев.

Смешиваясь с водой, нефть образует эмульсию двух типов: прямую «нефть в воде» и обратную «вода в нефти». Прямые эмульсии, составленные капельками нефти диаметром до 0,5 мкм, менее устойчивы и характерны для нефти, содержащей поверхностно-активные вещества. При удалении летучих фракций нефть образует вязкие обратные эмульсии, которые могут сохраняться на поверхности, переноситься течением, выбрасываться на берег и оседать на дно. Наибольшую опасность по своим последствиям представляют нефтяные пленки, образующиеся на водной поверхности и уменьшающие теплопроводность и теплоемкость верхнего водного слоя. Наличие нефтяной пленки сильно сказывается на процессе испарения. Так, на спокойной воде из-за тонкого слоя нефти испарение уменьшается в 1,5 раза, а при скорости ветра до 6…8 м/с – на 60%, так как пленки служат барьером для молекул воды и снижают аэродинамическую шероховатость водной поверхности. Экспериментально установлено, что за 1 ч с поверхности океана в одну квадратную милю при наличии нефтяной пленки испаряется 45 т воды, в то время как при отсутствии пленки – 97 т. Замедление процесса испарения приводит к тому, что воздушные массы, движущиеся над океаном, слабее насыщаются водяным паром.

В естественных условиях через границу раздела атмосфера – водная поверхность непрерывно происходит обмен кислородом и углекислым газом, интенсивность которого при наличии нефтяной пленки сильно уменьшается. При определенных условиях нефтяные пленки понижают температуру поверхностного слоя воды (не ниже +4°С), что приводит к повышению ее плотности и в результате верхний слой воды погружается в глубину, занося туда нефтяное загрязнение. В мелководных бассейнах поверхностные загрязненные слои могут опускаться на дно и образовывать придонные воды, содержащие значительное количество нефти. Особенно вероятно образование таких загрязненных придонных слоев в период осеннего охлаждения вод.

Таким образом, нефтяные пленки являются тем техногенным фактором, который влияет на формирование и протекание гидрологических и гидрохимических процессов в поверхностных слоях воды морей и океанов.

Нефтяные загрязнения воздействуют и на живые организмы за счет экранирования солнечного излучения и замедления обновления кислорода в воде. В результате перестает размножаться планктон – основной продукт питания морских обитателей. Толстые нефтяные пленки нередко становятся причиной гибели морских птиц. Нефть отрицательно влияет на физиологические процессы, протекающие в живых организмах, вызывают патологические изменения в тканях и органах, нарушает работу ферментативного аппарата, нервной системы.

Особенно опасно загрязнение высокоширотных вод, где из-за низкой температуры нефтепродукты практически не разлагаются и как бы «консервируются» льдами, поэтому нефтяное загрязнение может нанести серьезный ущерб окружающей среде Арктики и Антарктики.

Загрязнение природных вод тяжелыми металлами. В условиях активной антропогенной деятельности загрязнение океанических вод тяжелыми металлами стало особо острой проблемой. Группа тяжелых металлов плотностью выше 4,5 г/см3 объединяет более 30 элементов периодической системы. К наиболее токсичным металлам относят в первую очередь Pb(свинец), Hg(ртуть), Cd (кадмий), As(мышьяк), Zn (цинк), Se(селен), а также, Fe, Al, Сu, Mn, Ni, Co, Sn, Ti, Bi, Mo, V, Ag, Cr, Те. Они широко применяются в различных промышленных производствах, поэтому, несмотря на очистные мероприятия, содержание тяжелых металлов и их соединений в промышленных сточных водах довольно высокое. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу.

Основными источниками загрязнения природных вод тяжелыми металлами являются:

Промышленные сбросы;

Атмосферные осадки, в основном дожди (в атмосферу тяжелые металлы попадают в результате сжигания топлив и извержения вулканов; содержание токсичных элементов атмосферного происхождения может достигать 25-100%);

Водный транспорт (корпуса судов покрывают красками, в состав которых входят Hg, As, Cu, Cr, Pb, Zn, Cd для предотвращения обрастания корпусов водорослями и морскими организмами);

Вымывание из почв, в которые тяжелые металлы (ТМ) попадают из удобрений и пестицидов (неорганические удобрения содержат ТМ в виде примесей).

Большой процент ТМ содержится в иле, который является одним из основных органических удобрений. Пестициды также содержат ТМ, которые часто используют в качестве катализаторов процессов их синтеза.

Для морских биоценозов наиболее опасны ртуть, свинец и кадмий, так как они сохраняют токсичность бесконечно долго. Например, ртутьсодержащие соединения (особенно метилртуть) – сильнейшие яды, действующие на нервную систему, представляют угрозу для жизни всего живого. В 50–60-е г. ХХ в. в районе бухты Миномата (Япония) было зарегистрировано массовое отравление, жертвами которого стали десятки тысяч человек, употреблявших в пищу зараженную рыбу. Причиной заражения было предприятие, сбрасывающее ртуть в воду залива.

В Мировой океан в год поступает до 2 млн. т свинца, до 20 тыс. т кадмия и до 10 тыс. т ртути. Наиболее высокие уровни загрязнения имеют прибрежные воды и внутренние моря. Немалую роль в загрязнении Мирового океана играет и атмосфера. Так, до 30% всей ртути и 50% свинца, поступающих в океан ежегодно, переносится через атмосферу. Попав в морскую воду, тяжелые металлы концентрируются главным образом в поверхностной пленке, в придонном осадке и в биоте, тогда как в самой воде они остаются лишь в сравнительно небольших концентрациях. Здесь особо значима поверхностная пленка, которая обычно простирается на глубину 50…500 мкм. Именно в данной области протекают все равновесные процессы массообмена между водой и атмосферой.

Активность накопления различных веществ в живых организмах из окружающей среды выражается соответствующими коэффициентами. Так, отношение содержания вещества в тканях гидробионтов (обитателей водной среды) к концентрации его в воде называется коэффициентом накопления. Например, в дафниях коэффициент накопления метилртути – 4 тыс., в планктоне коэффициент накопления свинца 12 тыс., кобальта – 16 тыс., а меди – 90 тыс. Исследователи говорят, что для любого химического элемента найдется по крайней мере один вид планктона, способный его концентрировать.

Большие количества тяжелых металлов сосредоточиваются в донных осадках. Это подтверждается тем, что концентрация металлов в осадке может быть на несколько порядков выше, чем в воде.

Загрязнение природных вод пестицидами и другими химическими соединениями. Пестициды - это класс синтезированных органических веществ, обладающий токсичными свойствами и подразделяющийся в соответствии с их назначением на группы:

Инсектициды - для уничтожения насекомых;

Гербициды - против сорняков;

Фунгициды - против грибков;

Специфические - против крыс, улиток и т.д.

Количество инсектицидов значительно превышает количество гербицидов.

Исходя из химического состава пестицидов, можно выделить 3 большие группы:

Хлорированные углеводороды;

Фосфорорганические соединения;

Растворимость и устойчивость пестицидов в воде различны. Несмотря на большой вынос пестицидов в гидросферу, их концентрация сравнительно мала:~10-7 % в пресных и~10-9 % в океанских водах. Однако даже такие малые концентрации опасны для жизнедеятельности живых организмов.

Наиболее распространенными среди хлорорганических пестицидов являются:

Ароматические: ДДТ и его метаболиты - ДДД и ДДЕ;

Алифатические и алициклические - линдан или гексахлорциклогексан, гексахлоран;

Хлорированные продукты диенового синтеза.

Все эти соединения относятся к инсектицидам; достаточно устойчивы к разложению, а, следовательно, накапливаются в среде и организмах (особенно в моллюсках, обнаруживаются у дельфинов). К хлорированным углеводородам относят также очень важный класс соединений - полихлорбифенилы (ПХБ). Получают их хлорированием бифенилов.

Анализ хлорсодержащих соединений показал, что все они содержат в качестве примесей тысячные доли диоксинов, т.е. последние образуются как побочные продукты большинства химических производств. Эти различные производные ароматических хлорированных эфиров являются супертоксикантами. ПХБ и диоксины подавляют иммунную систему.

Фосфорорганические пестициды (ФОП) - сложные эфиры фосфорной, тиофосфорной и дитиофосфорной кислот, относятся к инсектицидам. Их достоинством является малая химическая устойчивость.

Детергенты. Это моющие средства, основными компонентами которых являются поверхностно-активные вещества (ПАВ), (добавки - ферменты, отбеливатели, душистые вещества, ингибиторы коррозии и т.д.).

В слабозагрязненных водах концентрация ПАВ колеблется от тысячных до сотых долей мг/л. Концентрируются ПАВ в поверхностной пленке, образуя монослой. ПАВ не относятся к высокотоксичным веществам, их ПДК ~ 0.5-2 мг/л. При этом они чрезвычайно распространены из-за широкого использования в быту и промышленности. Они могут усиливать неблагоприятное влияние других загрязняющих веществ, которые являются токсикантами: повышать их растворимость в воде, образовывать устойчивые эмульсии, например; нефтепродуктов.

Фенолы. Соединения этого класса принято делить на:

Летучие с паром (фенол, крезолы, ксиленолы и т.д.;

Нелетучие (многоатомные, такие как резорцин, пирогаллол и т.д.). Источники фенолов могут иметь природное происхождение - метаболизм водных организмов, деградация органического вещества, и антропогенное, например, антисептики. Содержание фенолов в водах обычно не превышает 20 мкг/л.

Многочисленные упомянутые выше источники загрязнения Мирового океана зачастую удобнее группировать по «средовому» принципу, при котором источники разделяют на три большие группы:

§ морские – суда различного назначения (в т.ч. военные корабли) и другие установки и устройства, эксплуатируемые в морской среде; трубопроводы, установки и устройства, используемые при разведке и разработке природных ресурсов морского дна и его недр;

§ наземные – реки и другие сообщающиеся с морями водные системы, куда загрязняющие вещества попадают в результате сбросов сточных и нагретых вод промышленными предприятиями, либо с грунтовыми водами, загрязнёнными от захоронений особо вредных веществ (в т.ч. радиоактивных отходов), а также различные береговые объекты, осуществляющие сбросы в море;

§ атмосферные – различные промышленные предприятия, транспортные средства и другие объекты, производящие выбросы в атмосферу вредных газообразных отходов, большое количество которых из атмосферы попадает в океанические бассейны.

Установлено, что естественные возможности нейтрализации загрязнений в океане сегодня практически исчерпаны. Общая оценка состояния океана более тревожная, чем оценка состояния атмосферы. Для поддержания экологического баланса морских пространств нашей планеты очень важно международное сотрудничество, в т. ч. для выработки норм современного международного права. Природная среда едина и неделима, изменения ее состояния нельзя ограничить каким-либо определенным пространством. Ни одно государство, каким бы экономическим и научно-техническим потенциалом оно ни обладало, не может решить все проблемы, связанные с сохранением и улучшением состояния окружающей среды. Международная специализация и координирование в науке и технике могут ускорить создание малоотходных технологических процессов и эффективных противозагрязняющих устройств.

Истощение материковых вод.

В общем плане материковые воды обычно подразделяют следующим образом:

Поверхностные,

Почвенные,

Подземные.

Пресные воды распределены на поверхности Земли крайне неравномерно. Так, в Европе и Азии, где проживает 70% населения мира, сосредоточено лишь 39% мировых речных вод. На территории России 82% речного стока приходится на северные районы страны, которые по климатическим условиям малопригодны для развития земледелия и существенно менее заселены, чем южные районы, экономически более развитые, но испытывающие дефицит пресной воды.

Неравномерное распределение осадков и все возрастающее загрязнение гидросферы привели к тому, что во многих странах ощущается нехватка пресной воды.

Происходит истощение самых ценных из доступных человеку источников пресной воды – подземных вод. Истощение верхних горизонтов подземных вод наблюдается в США, Германии, Великобритании, Нидерландах, Японии. Сообщалось об истощении артезианского бассейна под Кубанской равниной. Уровень артезианских вод под Краснодаром ежегодно снижается.

Самое серьезное беспокойство вызывает состояние малых рек. Бесконтрольное использование воды, уничтожение водоохранных лесных полос и осушение верховых болот привели к массовой гибели малых рек. По оценкам биологов Германии, половина нанесенных на географические карты страны ручьев и прудов высохла; 90% родников и болот с бьющими в них ключами больше не существуют.

Однако наиболее ощутимый удар по пресной воде нанесли современные технологии, так как под их воздействием растет загрязнение рек и озер промышленными и бытовыми отходами, токсичными веществами. Только промышленность ежегодно сбрасывает в реки более 160 км3 промышленных стоков – неочищенных или недостаточно очищенных. Они загрязняют свыше 4 тыс. км3 речных вод, т.е. около 10% общего речного стока. В промышленно развитых странах эта цифра достигает 30% и более.

В настоящее время большинство рек мира в своих руслах несут уже не пресную воду, пригодную для водоснабжения населения, а разбавленные сточные воды городов, промышленных предприятий, животноводческих ферм и т.д. В реках вместо чистой воды - сложные растворы и взвеси вредных химических веществ и бактерий.

Необдуманное использование воды, превышающее возможности ее восстановления, а также ее интенсивное загрязнение приводят к превращению в пустыни больших районов континентов. Некогда полноводные чистые реки и озера сплошь и рядом мелеют, в них размножаются сине-зеленые водоросли, и вода становится не пригодной ни для питья, ни для жизни рыб и других водных организмов.

По данным Всемирной организации здравоохранения до 80% всех заболеваний, связанных с качеством среды обитания, результат употребления населением грязной воды.

Почти 2,5 млрд. жителей планеты страдает дизентерией, гепатитом, диареей и другими заболеваниями, связанными с загрязнением воды.

Использование пресных вод

Все отрасли народного хозяйства, которые используют водные ресурсы, подразделяют на две категории:

Водопользователи – это отрасли, которые используют водоемы для различных целей, но безвозвратный водозабор не ведут. К ним относятся гидроэнергетика, водный транспорт, рыбное хозяйство, коммунальные службы хозяйственно-питьевого обеспечения.

Водопотребители – это отрасли, которые берут воду из водоемов, причем часть ее используется безвозвратно. Крупнейшими водопотребителями являются теплоэнергетика (особенно АЭС), сельское хозяйство, а из промышленности – химическая и металлургическая.

Современный город с населением 1 млн. человек потребляет в сутки 300 тыс.м3 воды, из которых 75…80% превращаются в сточные воды.

Существует следующая классификация пресных вод по целевому назначению:

Вода питьевая – вода, в которой бактериологические, органолептические показатели и показатели токсических химических веществ находятся в пределах норм питьевого водоснабжения;

Вода минеральная – вода, компонентный состав которой отвечает лечебным требованиям;

Вода теплоэнергетическая – термальная вода, теплоэнергетические ресурсы которой могут быть использованы в любой отрасли народного хозяйства;

Вода промышленная – вода, компонентного состава и ресурсов которой достаточно для извлечения этих компонентов в промышленных масштабах;

Вода техническая – любая вода, кроме вышеперечисленных, пригодная для использования в народном хозяйстве.

При этом различают следующие виды воды технической:

Хозяйственно-бытовые вода – вода, используемая для бытовых и санитарно-гигиенических целей населением, а также прачечными, банями, столовыми, больницами и т.д.;

Поливная вода – вода, используемая для орошения земель и полива сельскохозяйственных растений;

Технологическая вода - вода, непосредственно контактирующая с продуктами и изделиями и подразделяющаяся, в свою очередь, на средообразующую, промывочную и реакционную (средообразующую используют для растворения и образования пульп, при обогащении и переработке руд, гидротранспорте продуктов и отходов производства; промывочную – для промывки газообразных (абсорбция), жидких (экстракция) и твердых продуктов и изделий, а реакционную – в составе реагентов, при отгонке и аналогичных процессах);

Энергетическая вода – вода, используемая для получения пара и нагревания помещений, оборудования и сред, а также для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах, а твердых тел – непосредственно.

Энергетическая вода может быть оборотной и подпиточной (добавочной). Воду весьма часто используют для охлаждения жидких и газообразных продуктов в теплообменных аппаратах. Энергетическая вода не соприкасается с материальными потоками и не загрязняется, а лишь нагревается. В промышленности 65…80% расхода воды потребляется для охлаждения.

Качество воды

Эта характеристика состава и свойств воды определяет пригодность ее для конкретных видов использования. Выделяют следующие показатели воды, регламентированные соответствующими документами:

Органолептические;

Гидрохимические;

Микробиологические;

Определение органолептических показателей обязательно при любом исследовании воды. К ним относятся цветность, запах, вкус и привкус, мутность и пенистость.

Гидрохимические показатели занимают значительное место в совокупности данных о состоянии водного объекта, при этом они могут быть определены полевыми или лабораторными методами. Для полевых методов в России выпускается широкий перечень тест-комплектов, позволяющих выполнить унифицированный анализ непосредственно у водного объекта. В число гидрохимических показателей качества воды, определяемых полевыми методами, входят: водородный показатель (рН), растворенный кислород, минерализация (карбонаты и гидрокарбонаты, сульфаты, хлориды, сухой остаток, общая жесткость, катионы кальция и магния, натрия и калия), биогенные элементы (нитраты, фосфаты, аммоний, нитриты), фториды, общее железо.

Водородный показатель рН - одна из наиболее информативных характеристик. Величина рН в природных водах обусловлена количественным соотношением СО 2 , растворенного в воде, гидрокарбонат- и карбонат-ионов; процессами фотосинтеза (потребление СО 2 водной растительностью) и распада органических веществ; диссоциацией веществ гумусовой природы (болотные воды имеют низкие рН); гидролизом аква-ионов металлов. Величина рН колеблется: в речных водах в интервале 6.5-8.5, в атмосферных осадках - 4.6-6.1; в болотах - 5.5-6.0; в океанских водах - 7.9-8.3; в рудниках и шахтах - ~ 1; в содовых озерах - ~ 10. Величина рН оказывает существенное влияние на форму существования веществ в водных экосистемах.

Интегральная оценка качества воды проводится обычно по гидрохимическим показателям, при их достаточном количестве, и может проводиться несколькими способами.

В общем случае, при наличии данных о нескольких оцениваемых показателях, можно рассчитать сумму приведенных концентраций параметров к ПДК (принцип суммации воздействий). При этом критерием качества воды является значение

где С фi – фактическая концентрация i-го вещества в воде водоема.

При наличии данных о достаточном количестве показателей можно оценить индекс загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических значений показателей качества для 6 основных загрязнителей воды:

(3.2)

где С i – среднее значение определяемого показателя за период наблюдений (при гидрохимическом мониторинге это – среднее значение за год); ПДКi – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества; 6 – строго ограниченное (лимитируемое) число показателей, использующихся для расчета.

В качестве интегральной характеристики загрязненности поверхностных вод используются классы качества воды, которые установлены в зависимости от значения ИЗВ (см. таблицу П.2 Приложения 2).

При расчете ИЗВ в число шести показателей обязательно входят концентрация РК (растворённого кислорода) и значение БПК5, а также еще 4 показателя, являющиеся для данного водоема (воды) наиболее неблагополучными, т.е. имеющие наибольшие относительные концентрации (отношение C i /ПДК i).

Растворенный кислород всегда содержится в природной воде.В принципе все газы, содержащиеся в атмосфере: O 2 , H 2 S, N 2 CO 2 и др. присутствуют в гидросфере. Газообмен (фазовое равновесие) осуществляется через поверхностную пленку. Главными источниками растворенного кислорода (обычное содержание ~ 14 мг/л) являются атмосфера, фотосинтетическая деятельность, дождевые и снеговые воды, пересыщенные кислородом.

Биохимическое потребление кислорода (БПК) дает относительное представление о содержании легко окисляющихся органических веществ и может характеризовать количество органических отходов или качество воды. Для оценки этого параметра определяют кислород, растворенный в пробе, затем ее инкубируют не менее 5 суток в специальной склянке в темноте. В результате жизнедеятельности бактерий кислород затрачивается на окисление имеющихся в воде органических соединений. Убыль растворенного кислорода за определенный промежуток времени и характеризует БПК.

Определение содержания химических токсинов (пестицидов, нефтепродуктов, тяжелых металлов, СПАВ, и др.) повышает качество оценки, однако сопряжено с трудностями, так как для выполнения анализов требуется специальное лабораторное оборудование, сложные методики или приборы, высокая квалификация персонала и пр. Однако оценка качества воды по этой группе показателей или по некоторым из них в ряде случаев возможна, если использовать результаты анализов воды, полученные специальными службами – экологическими, санитарными, рыбохозяйственными и др.

Поверхностные воды защищают от засорения, загрязнения и истощения. Для защиты от засорения предотвращают попадание в поверхностные водоемы и реки различных твердых отходов и других предметов. Для защиты от истощения контролируют минимально допустимые стоки вод. Для защиты от загрязнения применяют следующие мероприятия:

– развитие безотходных и безводных технологий и оборотного водоснабжения;

– очистка сточных вод (промышленных, коммунально-бытовых и др.);

– закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты (подземное захоронение);

– очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей.

Безотходные и безводные технологии и оборотное водоснабжение. Главный загрязнитель поверхностных вод – сточные воды. Наиболее действенным способом защиты поверхностных вод от загрязнения сточными водами являются безводные и безотходные технологии. На начальном этапе создается оборотное водоснабжение. В его систему включают ряд очистных сооружений и установок, что создает замкнутый цикл использования сточных вод, которые при таком способе все время находятся в обороте и не попадают в поверхностные водоемы.

Очистка сточных вод. Существуют различные способы очистки сточных вод: механический, физико-химический, химический, биологический и термический. В зависимости от вида сточных вод их очистка может производиться каким-либо одним или комбинированными способами, с обработкой осадка (или избыточной биомассы) и обеззараживанием сточных вод перед сбросом их в водоем.

Механическая очистка основана на процеживании, отстаивании и фильтровании. При этом из сточных вод удаляются нерастворимые механические примеси: песок, глинистые частицы, окалина и др. Физико-химическая очистка предполагает коагуляцию, сорбцию, флотацию, экстракцию и другие методы. Из сточных вод удаляются тонкодисперсные взвешенные частицы, минеральные и органические вещества. Химическая очистка основана на процессах нейтрализации, окисления, озонировании, хлорировании. Сточные воды очищаются от токсичных веществ и микроорганизмов. Биологическая (биохимическая) очистка основана на способности микроорганизмов использовать для своего питания многие органические и неорганические соединения из сточных вод (сероводород, аммиак, нитриты и т. д.). К термическим методам прибегают при очистке промышленных сточных вод, содержащих главным образом высокотоксичные органические компоненты, разрушающиеся при высоких температурах.

При всех методах очистки сточных вод необходима обработка и утилизация образующихся шламов и осадков (особенно при очистке токсичных промстоков). С этой целью их складируют на специальных полигонах, обрабатывают в биологических сооружениях, перерабатывают с помощью растений (гиацинты, тростник и др.) или сжигают в специальных печах.

Закачка сточных вод в глубокие водоносные горизонты (подземное захоронение) осуществляется через систему поглощающих скважин. При этом способе отпадает необходимость в дорогостоящей очистке и обезвреживании сточных вод и в сооружении очистных сооружений.

Агролесомелиорация и гидротехнические мероприятия защищают поверхностные воды от загрязнения и засорения. Они предотвращают эвтрофикацию озер, водохранилищ и малых рек, возникновение эрозии, оползней, обрушение берегов, уменьшают загрязненный поверхностный сток.

Водоохранные зоны защищают поверхностные воды от загрязнения, засорения и истощения. Они создаются на всех водных объектах. Их ширина на реках составляет от 0,1 до 1,5–2,0 км, включая пойму реки, террасы и береговой склон. В пределах этих зон запрещается распашка земель, выпас скота, применение пестицидов и удобрений, строительные работы и др.

Подземные воды охраняют от загрязнения и истощения. Для защиты от истощения применяют:

– регулирование режима водозабора подземных вод;

– рациональное размещение водозаборов по площади;

– определение величины эксплуатационных запасов как предела их рационального использования,

– введение кранового режима эксплуатации самоизливающихся артезианских скважин и др.

Для защиты подземных вод от загрязнения применяют две группы мероприятий: профилактические и специальные.

Профилактические мероприятия направлены на предупреждение загрязнения. Они предусматривают устройство зон санитарной охраны (ЗСО) – территорий вокруг источников централизованного питьевого водоснабжения, создаваемых для исключения возможности загрязнения подземных вод.

Специальные мероприятия направлены на локализацию или ликвидацию очага загрязнения. Они предусматривают изоляцию источников загрязнения от остальной части водоносного горизонта (завесы, противофильтрационные стенки), а также на перехват загрязненных подземных вод с помощью дренажа. Для ликвидации локальных очагов загрязнения ведут длительные откачки загрязненных подземных вод.

Промышленная классификация вод и систем водоснабжения

Вода, используемая промышленностью, по своему назначению подразделяется на охлаждающую, технологическую и энергетическую.

1. Охлаждающая вода применяется в контурах охлаждения оборудования в металлургии, энергетике, химии и других отраслях, а также для охлаждения промежуточных и готовых продуктов в различных операциях и переделах.

2. Технологическая вода, в свою очередь, делится на средообразующую, промывную и реакционную. Средообразующая вода применяется для растворения и образования пульп, при обогащении и переработке руд, транспортировке продуктов и отходов производства. Промывные воды применяют для промывки газообразных, жидких и твердых продуктов и изделий. Реакционная вода применяется для приготовления реагентов.

3.Энергетическая вода потребляется для производства пара, а также в качестве теплоносителя систем обогрева.

Системы водного хозяйства в составе предприятий строятся в виде комплекса сооружений, обеспечивающих требуемое качество и количество воды различного назначения. В этот комплекс входят: 1. сооружения по забору воды из источника водоснабжения, 2. сети подачи и отведения воды, 3. насосные станции, 4. сооружения по водоподготовке и очистке сточных вод, 5. сооружения по обработке осадков, 6. сооружения по стабилизации воды по физико-химическому составу, 7. сооружения по извлечению полезных компонентов. По структуре различают следующие схемы водоснабжения: прямоточную, последовательную, оборотную, бессточную, безотходную.

Для сокращения сбросов сточных вод до минимума следует переходить к бессточной системе водообеспечения. Подпитка такой системы свежей водой применяется в случае, если ощущается недостаток очищенных вод для восполнения имеющихся потерь в системе.

Для уменьшения загрязнения сточных вод намечен ряд направлений.

1. Разработка и реализация безводных технологических процессов.

2. Совершенствование существующих технологических процессов, направленное на сокращение объемов потребляемых вод, их безвозвратных потерь, на снижение количества загрязнений, поступающих в воду.

3. Разработка и реализация совершенного технологического оборудования.

4. Применение методов воздушного и водно-воздушного охлаждения.

5. Повышение эффективности использования очищенных сточных вод в системах водоснабжения предприятия.

Реализация этих решений связана с созданием экологически чистых технологий. Необходимость создания замкнутой системы водного хозяйства обусловлена дефицитом воды.

Основной объем работ по контролю качества выполняют подразделения Роскомгидромета (поверхностные воды), Минприроды (подземные воды, сточные воды предприятий), Госсанэпиднадзора (участки водных объектов, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения).

Для ограничения загрязнения объектов в соответствии с требованиями санитарных правил и норм для природопользователей устанавливаются допустимые сбросы сточных вод.

Предельно допустимый сброс (ПДС) - масса вещества в сточных водах, допустимая к отведению в водный объект за единицу времени, обеспечивающая нормативное качество воды в контрольном створе. Последний принимается на расстоянии не менее одного километра выше водозабора, места рекреации.

Временно согласованный сброс (ВСС) - масса вещества в сточных водах, соответствующая достигнутому уровню очистки на водоохранных сооружениях предприятий, превышающая ПДС и временно согласованная к отведению в водный объект на период увеличения мощности и состава очистных сооружений с целью достижения нормативов ПДС по всем веществам, но не более 3 лет.

По всем веществам, сбрасываемым со сточными водами, устанавливается класс их опасности. Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения подразделяют вещества на четыре класса опасности:

1-й класс - чрезвычайно опасные (тетраэтилсвинец);

2-й класс - высокоопасные (алюминий, кадмий);

3-й класс - опасные (медь, хром);

4-й класс - умеренно опасные (хлориды, сульфаты).

При сбросе нормируемых веществ в водные объекты рыбохозяйственного назначения, а также веществ 1-го и 2-го классов опасности в водные объекты хозяйственного водопользования ПДС устанавливаются с учетом совместного воздействия веществ одного и того же лимитирующего показателя вредности (ЛПВ). Определение ПДС и ВСС для водопользователей осуществляется на основе аналитических измерений и прогноза качества воды, который выполняется расчетом по аттестованной методике гидрометеорологическими службами России.

Защита гидросферы организована в России с учетом особенностей поступления в водные объекты примесей и включает регулирование:

Поверхностного стока на водосборе;

Качества сточных вод;

Качества воды в объектах.

Вынос примесей в водные объекты с площади водосбора пропорционален поступающему в них стоку воды. Поэтому уменьшение диффузных (рассредоточенных) поступлений примесей достигается реализацией мероприятий, способствующих задержанию стока на водосборе. Это повышение степени залесенности водосборов, лиманное орошение, вспашка сельскохозяйственных полей в осенний период. В равнинных районах с увеличением лесистости водосбора (отношение площади водосбора, покрытой лесом, к общей площади водосбора) происходит уменьше­ние поверхностного стока и уменьшение выноса веществ В степных и полупустынных регионах России определенный эффект в задержании примесей на водосборе оказывают лесозащитные полосы.

Важная роль в задержании примесей на водосборе принадлежит лиманам (пониженные или специально обвалованные участки сельскохозяйственных полей, затопляемые водой в весенний период). Уменьшение выноса примесей с водосбора возможно также с помощью щелевания и устройства траншей, заполняемых легкофильтрующими материалами. Однако большая трудоемкость и капиталоемкость таких сооружений не способствуют их широкому применению.

Регулирование поступления примесей с хозяйственно-бытовыми и производственными сточными водами осуществляется с помощью комплекса очистных сооружений. Состав сооружений и технологическая схема их размещения определяются составом и расходом сточных вод, необходимой глубиной очистки и устанавливается в процессе проектирования. Глубина очистки сточных вод очистными сооружениями и вынос примесей в водные объекты устанавливаются на основе нормативов предельно допустимых (ПДС) и временно согласованных сбросов (ВСС).

Обеспечение требуемого качества вод осуществляется процессами подготовки и очистки. Подготовка воды включает процессы: коагулирования, предварительную очистку, фильтрацию, обеззараживание, дезодорацию и удаление токсичных веществ. Очистка сточных вод производится деструктивными методами, основанными на разрушении примесей, и регенеративными методами, основанными на извлечении и последующей утилизации содержащихся в воде ценных компонентов.

Для очистки сточных вод используются практически все достижения современной науки и техники. Методы, базирующиеся на этих достижениях, включают: механические, биохимические, физико-химические, термохимические и термические.

Механическая очистка сточных вод. Взвешенные в воде примеси имеют широкий диапазон размеров, а их удаление требует часто нескольких ступеней очистки. Самые крупные примеси осаждаются методом процеживания воды через решетки и сита, размещаемые в коллекторах сточных вод перед отстойниками.

Биохимическая очистка сточных вод. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать многие растворенные в сточных водах органические и неорганические соединения для питания в процессе жизнедеятельности. Известны аэробные и анаэробные методы биохимической очистки. Первая группа методов основана на использовании организмов, для жизнедеятельности которых необходим дополнительный приток кислорода при температурах 20-40 °С. При этом методе аэробные микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке. Анаэробные методы реализуются без доступа кислорода и используются главным образом для обезвреживания осадков.

Активный ил включает живые организмы (бактерии, простейшие, черви, плесневые грибы, дрожжи и др.), сообщество которых образует биоценоз, и твердый субстрат.

Основную роль в процессе биохимической очистки сточных вод играют микроорганизмы. Аэробные процессы биохимической очистки могут проводиться как в природных условиях, так и в искусственных сооружениях. В естественных условиях очистка происходит на полях орошения, полях фильтрации и в биологических прудах. Искусственными сооружениями являются аэротенки и биофильтры разной конструкции, в которых процессы очистки идут с большей скоростью, чем в природных условиях.

Поля орошения являются специально подготовленными земельными участками, используемыми одновременно для очистки сточных вод и в агрокультурных целях. Процессы очистки идут здесь за счет действия почвенной микрофлоры, солнца, воздуха и жизнедеятельности растений. Поля фильтрации аналогичны полям орошения, но используются только для биологической очистки сточных вод. Сточные воды на очистку подают через распределительные системы в подпочвенный слой поля орошения, что наиболее полно реализует полезные свойства сточных вод как удобрений.

Биологические пруды представляют собой каскад из 3-5 ступеней водоемов, через которые медленно протекает очищаемая вода. Пруды используют в комплексе с другими очистными сооружениями - как для биологической очистки, так и доочистки сточных вод.

Очистку в искусственных условиях проводят с помощью аэротенков или биофильтров. Аэротенк - это открытый железобетонный аэрируемый резервуар, в котором очистка идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила.

Биофильтры представляют собой корпусные сооружения с кусковой насадкой и распылительными устройствами для сточной воды и воздуха. Сточная вода фильтруется через насадку, покрытую пленкой микроорганизмов. В процессе окисления сточной воды биопленка наращивает свою массу, отработанная биопленка смывается с насадки и выводится из биофильтра. В качестве насадки применяют щебень, гравий, шлак, керамзит, металлические и пластмассовые сетки и др.

Физико-химическая очистка сточных вод. Адсорбцию применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических примесей (фенолов, ПАВ и др.) после биохимической очистки, а также если концентрация таких примесей невелика, а сами они биологически не разлагаются или сильно токсичны. Метод высокоэффективен (80-95%), позволяет очищать сточные воды, содержащие несколько веществ.

Термохимические и термические методы обезвреживания сточных вод. Особое место в технологиях очистки сточных вод занимают методы их обезвреживания от содержащихся минеральных солей Са, Mg, Na и др., а также органических соединений. Термические методы реализуются рядом способов:

Концентрированием сточных вод с последующим выделением твердых веществ;

Окислением органических примесей в присутствии катализатора;

Жидкофазным окислением органических веществ;

Огневым обезвреживанием.

Из термических методов огневой является наиболее универсальным и эффективным. Он реализуется в процессе распыления сточных вод в топочных газах, имеющих температуру 900-1000 °С. При этом вода полностью испаряется, примеси выгорают, а минеральные вещества образуют твердые или оплавленные частицы.

Общая характеристика загрязнений сточных вод. Термин «сточные воды» объединяет различные по происхождению, составу и свойствам воды, которые после использования человеком получили дополнительные загрязнения и изменили свое качество.

По своей природе загрязнения сточных вод подразделяют на органические, неорганические и биологические. Согласно классификации Л.А. Кульского, все примеси сточных вод, независимо от их природы, разделены на четыре группы (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Основные группы примесей по фазово-дисперсионному состоянию

Гоуппа	Основная характеристика	Природа примесей	воздействия
	Нерастворимые в воде грубодисперсные примеси, образующие суспензии и эмульсии. Образуют с водой гетерогенные кинетически неустойчивые системы	Нерастворимые примеси органической и неорганической природы; микроорганизмы	Выделение из воды под действием гравитационной или центробежной сил
	Коллоидная степень дисперсности с размером частиц не более 10-6см. гидрофильные и гидрофобные коллоидные примеси этой группы образуют с водой гетерогенную систему с особыми молекулярно-кинетическими свойствами	Коллоидные системы; высокомолекулярные соединения; из микроорганизмов - вирусы	Разрушение агрегативной устойчивости примесей
	Молекулярная степень дисперсности с размером частиц не более 10-7см. Образуют в воде гомогенные системы	Разнообразны по составу; во многом определяют показатели: запах, окраска, ВПК и ХПК	Биологические и физико-химические методы
	Ионная степень дисперсности с размером частиц не более 10-8 см	Основания, кислоты и их соли	Сложные физикохимические методы: ионный обмен, мембранная сепарация

На рис. 3.1 приведены основные методы очистки сточных вод, эффективное использование которых позволяет обеспечить защиту гидросферы.

Механические методы очистки. Выделение нерастворимых примесей основано на двух различных принципах:

1) под действием силы тяжести и/или центробежных сил (зависит от размера и удельной массы частиц). Центробежные силы усиливают разделение. На этом принципе основана предварительная (грубая) очистка сточных вод. Степень очистки от 40% до70% (с предварительной реагентной обработкой эффективность извлечения примесей возрастает до 90%);

Рис. 3.1.

2) фильтрование и процеживание, когда вода, содержащая примеси, пропускается через фильтрующий материал, проницаемый для жидкости и непроницаемый для твердых частиц. Данный метод используют для глубокой очистки (доочистки) сточных вод. Степень очистки достигает 99%. Процесс сопровождается большими затратами энергии.

Самостоятельно механические методы очистки могут применяться, если объем сточных вод много меньше объема водоема, либо когда по требованиям производства очищенные механическим способом промышленные воды могут быть использованы в технологических процессах на предприятии (заводской или цеховой водообо- рот). На рис. 3.2 представлены основные аппараты, которые используются для механической очистки сточных вод.

1. Отстаивание является самым простым, наименее энергоемким и дешевым методом выделения из сточных вод взвешенных веществ с плотностью, отличной от плотности воды. Для успешного разделения необходимо создание в очистном сооружении ламинарного режима течения жидкости. Под действием силы тяжести частицы загрязнений оседают на дно сооружения или всплывают на его поверхность. Применение гидроциклонов и центрифуг повышает эффективность разделения.

Рис. 3.2.

Для очистки бытовых сточных вод, перед отстойниками обычно размещают:

• решетки и сита, которые предназначены для задержания крупных загрязнений, преимущественно органического происхождения;
• песколовки, которые служат для улавливания примесей минерального происхождения, главным образом песка. Задерживают частицы диаметром более 0,25 мм.

Песколовки необходимо проектировать при пропускной способности очистных сооружений свыше 100 м 3 /сутки.

Вертикальные отстойники - это, как правило, цилиндрические (или квадратные в плане) резервуары с коническим днищем диаметром до 10 м и производительностью до 3000 м 3 /сутки. Движение осветленной воды в отстойниках происходит в вертикальном направлении - снизу вверх. Взвешенные частицы оседают в восходящем потоке воды. Расчетная скорость восходящего потока не должна превышать 0,5-0,6 мм/с; высота зоны осаждения обычно составляет 4-5 м. Сбор осветленной воды осуществляется с помощью периферийных или радиальных желобов через водослив. Осадок, выпавший в иловую часть отстойника, удаляется по иловой трубе. Объем иловой части рассчитывается на двухсуточный объем осадка. Уклон конической части днища отстойника принимается не менее 45-50° для обеспечения сползания осадка.

Достоинством вертикальных отстойников является простота их конструкции и удобство в эксплуатации, недостатком - большая глубина сооружений, что ограничивает их максимальный диаметр 9 м, невысокая эффективность осветления.

Эффективность осветления сточных вод в вертикальных отстойниках невысокая (обычно не превышает 40% по снятию взвешенных веществ), что на 10-20% ниже, чем в горизонтальных и радиальных отстойниках.

Вертикальные отстойники применяются в качестве первичных в общезаводских очистных сооружениях.

Горизонтальные отстойники - прямоугольные резервуары с глубиной зоны осаждения (Н) равной 1,5-4,0 м, длиной 8-12 Н (иногда до 20 Н), с шириной коридора 3-6 м. Удаление осадка из них осуществляется гидравлическим методом или движущимися скребками. Равномерное распределение сточной воды по ширине отстойника производится с помощью поперечного лотка с водосливом или дырчатой перегородки. Для задержания плавающих веществ у выхода из отстойника устанавливают перегородку, погруженную в воду на 0,25 м.

Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике обычно не превышает 10-12 мм/с, а для сточных вод, содержащих хлопья гидрооксидов алюминия и железа, составляет 3-5 мм/с; продолжительность отстаивания воды 1-3 ч. При коагуляционной очистке сточных вод эти отстойники снабжают встроенными камерами хлопье- образования.

Достоинствами горизонтальных отстойников являются их относительно высокий коэффициент использования объема {К = 0,5) и достигаемый эффект осветления - 50-60%, а также возможность их компактного размещения с другими очистными сооружениями. Недостатками являются: неудовлетворительная надежность работы используемых в них механизмов для сгребания осадков тележечного или цепного типа, особенно в зимний период; капитальные затраты на строительство горизонтальных отстойников выше, чем для радиальных, за счет более высокого (на 30-40%) расхода железобетона на единицу строительного объема.

Радиальные отстойники - это обычно круглые в плане резервуары диаметром до 60 м (иногда более 100 м), вода в которых движется по радиусу от центра к периферии. Скорость движения воды переменная: в центре - максимальная, а на периферии минимальная. Сточная вода через центральное разделительное устройство поступает в отстойник, а осветленная вода собирается в круговой периферийный желоб. Радиальные отстойники оборудуются подвижными фермами с центральным или периферическим приводом. Глубина проточной части отстойника составляет 1,5-5 м, а отношение диаметра к глубине - от 6 до 30 м. Продолжительность пребывания сточной воды в отстойнике 1,5-2 ч. Эффективность осветления 50- 55%. У них достаточно большая производительность.

Достоинства радиальных отстойников - круглая в плане форма, которая позволяет уменьшить необходимую толщину стеновых панелей за счет применения высокопрочной предварительно напряженной арматуры, что сокращает их удельную материалоемкость. Вращающаяся ферма обеспечивает простоту их эксплуатации. Существенный недостаток радиальных отстойников - повышенная скорость в зоне выпуска воды, что приводит к неэффективному использованию значительной части объема отстойника. Этот недостаток в значительной мере устранен в радиальных отстойниках с периферийной подачей сточной воды. Сбор осветленной воды осуществляется с помощью кольцевого лотка, расположенного в центре отстойника. Такая конструкция отстойника позволяет в 1,3-1,5 раза повысить его пропускную способность.

Тонкослойные отстойники отличаются малой глубиной осаждения. Применение тонкослойных отстойников может позволить увеличить расход воды пропорционально числу элементарных осветлителей (числу ярусов), либо пропорционально уменьшить габариты исходного осветлителя.

По схеме движения воды и осадка тонкослойные отстойники подразделяют на отстойники:

• с перекрестной схемой - выделенный осадок движется перпендикулярно движению осветляемого потока воды (наиболее рациональная конструкция);
• противоточной схемой - выделенный осадок удаляется в направлении, противоположном движению осветляемого потока воды;
• прямоточной схемой - выделенный осадок удаляется в направлении, совпадающем с направлением осветляемого потока воды. По конструкции тонкослойные отстойники подразделяются на

трубчатые и пластинчатые. Рабочим элементом трубчатого отстойника является трубка диаметром 2,5-5 см, длиной 60-100 см. Наклон трубок составляет от 5 до 60°. Аппараты с малым наклоном трубы работают в периодическом режиме, а с большим наклоном - в непрерывном. Вода подается снизу вверх. Равномерность подачи и распределения сточной воды по сечению трубок и ламинарность потока воды в трубках обуславливают эффективность осветления сточных вод в трубчатых тонкослойных отстойниках. Осадок сползает по наклонным плоскостям вниз и удаляется. Трубчатые отстойники применяются при производительности до 170 тыс. м 3 /сутки.

Пластинчатые тонкослойные отстойники состоят из ряда параллельно установленных наклонных пластин. Вода в отстойнике движется параллельно пластинам. Такие отстойники перспективны для использования в качестве вторичных осветлителей.

Достоинство тонкослойных отстойников заключается в их экономичности из-за небольшого объема и возможности использования пластмасс, что упрощает их изготовление, уменьшает массу и снижает стоимость. Возможность реконструкции существующих отстойников путем установки трубчатых или пластинчатых - также важное преимущество. Недостатки - требовательны к равномерности подачи сточной воды, сложно удалить осадок с полок.

2. Разделение в поле центробежных сил. Для выделения взвешенных веществ в поле центробежных сил могут применяться открытые, напорные, многоярусные гидроциклоны и центрифуги. Существенным преимуществом открытых гидроциклонов перед напорными являются большая производительность и небольшие потери напора, обычно не превышающие 0,5 м. Применяются они, главным образом, для выделения из сточных вод тяжелых примесей с гидравлической крупностью не менее 5 мм/с и при расходе сточных вод не менее 200 м 3 /ч на один аппарат. К подобным сточным водам относятся окалиносодержащие сточные воды прокатных цехов. Вода подается тангенциально в цилиндрическую часть аппарата.

Открытые гидроциклоны нередко работают в комплексе с другими сооружениями для механической очистки производственных сточных вод, являясь первой ее ступенью

В напорном гидроциклоне струя обрабатываемой жидкости поступает через тангенциальный патрубок в цилиндрическую часть и получает вращательное движение. Конструктивные размеры напорных гидроциклонов подбираются в зависимости от расхода сточных вод, концентрации и свойств содержащихся в ней примесей. При необходимости более глубокой очистки сточных вод применяют последовательную работу гидроциклонов различных типоразмеров.

Для разделения сточных вод, состоящих из двух и более фаз, суспензий (жидкость - твердое вещество), эмульсий (жидкость - жидкость) и аэрозолей (газ - твердое вещество или газ - жидкость), применяют метод центрифугирования. Процесс разделения систем происходит под действием центробежных сил и позволяет получить любую степень разделения.

Степень очистки от взвешенных веществ достигает 70-90%, а с применением высокомолекулярных электролитов эффективность центрифугирования составляет 85-99%.

3. Фильтрование. При фильтровании сточные воды проходят через пористый материал, который задерживает твердые частицы и не задерживает жидкость (фильтрат).

Фильтрование воды происходит под действием разности давлений на входе в фильтр и на выходе из него и может протекать при атмосферном давлении, при повышенном давлении (напорное фильтрование) и под вакуумом.

Физико-химические методы очистки. Основными методами физико-химической очистки производственных сточных вод являются нейтрализация, химическое осаждение, восстановление, окисление, коагуляция, флотация.

• 1. Нейтрализация. Применяются следующие способы нейтрализации:
  • взаимная нейтрализация кислых и щелочных сточных вод;
  • нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь, гашеная известь, кальцинированная сода, каустическая сода, аммиак);
  • фильтрование через нейтрализующие материалы (известь, известняк, доломит, магнезит, обожженный магнезит, мел).
• 2. Химическое осаждение. Химическое осаждение сводится к связыванию ионов в малорастворимые соединения. Выбор осадителя зависит от произведения растворимости образуемых соединений (минимальное значение), стоимости и доступности реагента. Наиболее дешевый способ - перевод ионов тяжелых металлов в гидроксиды соответствующих металлов известкованием, обычно применяют 5% раствор известкового молока. Применение сульфида натрия приводит к образованию более труднорастворимых соединений, чем гидроксиды.

При превышении pH выше оптимального может происходить растворение гидроксидов, особенно это характерно для гидроксидов цинка. При последовательном применении гидрокарбоната натрия и едкого натрия образуются труднорастворимые соединения цинка ZnC0 3 Zn(OH) 2 Н 2 0 или меди Си(0Н) 2 С0 3 .

3. Окисление: хлорирование, озонирование, перекись водорода, фотохимия.

Хлорирование. При введении в воду хлор гидролизуется, образуя хлорноватистую и соляную кислоту:

С1 2 + Н 2 0НОС1 + НС1.

При pH более 4 хлорноватистая кислота диссоциирует на ион гипохлорита (ОСГ) и ион водорода, максимальное количество гипохлорита образуется в щелочной среде при pH более 9. Например, в щелочной среде гипохлорит окисляет токсичные цианиды(СЫ _) в цианаты (CNO -):

CNT + ОСГ -> CNO“ + СГ.

Хлорирование - основной способ очистки питьевой воды. Озонирование - метод дорогой, требующий значительных затрат электроэнергии. Он вызывает коррозию металла, поэтому аппаратура должна быть изготовлена из нержавеющей стали и алюминия. Озон и его водные соединения разрушают сталь, чугун, медь, резину, эбонит.

Однако озон позволяет разрушать загрязнения, которые не подвергаются биохимическому окислению. Озон эффективен при очистке сточных вод от органических соединений, цианидов, сероводорода, сернистых соединений, нефтепродуктов, марганца, углеводородов. Процесс прост в аппаратурном оформлении, возможна полная автоматизация процесса, продукты окисления нетоксичны. К преимуществам озонирования относятся: образование незначительного количества осадка, отсутствие образования дополнительных примесей в обрабатываемой воде, производство окислителя на месте, возможность полной автоматизации.

Окисление воздухом, перекисью водорода. Технический кислород, кислород воздуха и перекись водорода также могут применяться для окисления фенолов, цианидов, роданидов, сероводорода и других примесей. В частности, для окисления сульфидных сточных вод целлюлозных, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов кислород применяется более широко, чем хлорсодержащие реагенты.

4. Коагуляция. Присутствие тонкодисперсных загрязняющих веществ затрудняет отделение твердой фазы от жидкой, например при отстаивании. Процесс дестабилизации тонкодисперсных систем с применением солей поливалентных металлов и образованием хлопьев называется коагуляцией. Процесс коагуляции сопровождается сорбцией загрязняющих веществ на поверхности хлопьев коагулянтов, имеющих минимальный изокинетический потенциал.

Применяют следующие виды коагуляции.

Взаимная коагуляция золя с помощью регулирования режима нейтрализации. Этот метод может быть применен для очистки сточных вод, загрязненных ионами металлов с высокой валентностью (> 3), которые способны с изменением водородного показателя изменять величину и знак заряда. Кислая сточная вода разделяется на два равных потока, один из которых нейтрализуется до pH = 3,8-4,5 с образованием положительно заряженных гидроксидов металлов, другой до pH = 10-12 с образованием отрицательно заряженных гидроксидов. При последующем смешении этих потоков происходит взаимная коагуляция золя, и скорость их осаждения возрастает; получается нейтральная вода с pH не более 5. При этом совместно осаждаются гидроксиды металлов с валентностью ниже трех. Данный метод может быть использован для очистки кислых шахтных вод, загрязненных ионами железа и алюминия.

Коагуляция с применением реагентов. Процесс агрегирования с применением реагентов - коагулянтов нашел широкое применение для очистки сточных вод.

В качестве коагулянтов применяют следующие реагенты:

• A1 2 (S0 4) 3 18Н 2 0 - сульфат алюминия;
• А1 2 (ОН) 5 С1 6Н 2 0 - оксихлорид алюминия;
• NaA10 2 - алюминат натрия, представляет собой куски белого цвета, товарный продукт содержит 55% А1 2 0 3 ;
• FeS0 4 2Н 2 0 - сульфат железа II (железный купорос);
• Fe 2 (S0 4) 3 2Н 2 0 - сульфат железа III (железный купорос);
• FeCl 3 - хлорное железо.

При введении в воду солей алюминия и железа в результате реакции гидролиза образуются малорастворимые в воде гидроксиды железа и алюминия.

Для эффективного коагулирования необходимо образование нерастворимых, электрически минимально заряженных гидроксидов и хлопьев коагулянта, из которых при коагулировании в свободном объеме воды, в свою очередь, должны образовываться крупные твердые хлопья.

Электрохимическое коагулирование. Необходимые для коагулирования ионы алюминия или железа можно получить электрохимическим путем. Для этого используются безнапорные емкости - электролизеры (электрокоагуляторы), в которые опущены пластинчатые или цилиндрические электроды из алюминия или стали. Электролизер включается, как правило, в сеть постоянного тока. В процессе анодного растворения металла в воду поступают ионы А1 +3 или Fe +2 . Поскольку при стальных электродах выделяются ионы двухвалентного железа, то его окисляют сжатым воздухом или хлором до Fe +3 .

Электрохимическое получение коагулянта целесообразно применять при небольших расходах очищаемых вод.

5. Флотация. Метод основан на способности гидрофобных частиц прилипать к пузырькам воздуха и выноситься в пенный продукт. Флотационное выделение загрязняющих веществ из сточных вод может быть перспективным методом вследствие быстроты процесса - не более 30 мин. Применяют напорную, пенную и колонную флотацию (рис. 3.3).

Рис. 3.3.

Аппараты пенной сепарации применяют для удаления тонких взвесей, тонкодисперсных примесей. Напорная флотация используется для очистки от нефтепродуктов и взвешенных веществ.

Без применения реагентов степень очистки не превышает 20%, применение реагентов позволяет повысить степень очистки до 93%. Природные взвешенные вещества, как правило, имеют отрицательный заряд, пузырьки тоже несут отрицательный заряд, поэтому вероятность контакта между взвесями и пузырьком низка. Например, для очистки сточных вод от ионов цветных металлов в качестве собирателей используют тот же набор собирателей, что и для флотации соответствующего типа руды. Применение водорастворимых высокомолекулярных полимеров интенсифицирует процесс флотации. Применяют коагулянты.

Природа насыщения пузырьками может быть различной в зависимости от конструкции аэратора и системы подачи воздуха. Различают следующие схемы: прямоточная, когда вся очищаемая вода проходит через систему сатурации, а затем поступает во флотационную машину; рециркуляционная, когда через сатуратор проходит 20-50% осветленной воды; частично прямоточная, когда 30-70% неочищенной воды проходит через сатуратор, а остальная часть подается непосредственно во флотокамеру.

Электрофлотация. Метод электрофлотации применим для очистки от ионов цветных металлов в виде гидроксидов и основных углекислых солей, мелкодисперсных примесей, масел, нефтепродуктов и ПАВ. Электрофлотация (электрохимическая флотация) является сочетанием двух методов - электрокоагуляции и пенной флотации. Сущность метода заключается в том, что в очищаемую воду помещаются электроды, подключенные к источнику питания. На аноде (например, графите) и катоде (никель, железо и др.) в виде микропузырьков выделяются соответственно кислород и водород. Способные к флотации или подготовленные к флотации частицы прилипают к пузырькам и выносятся в пенный слой (пенная флотация). В случае растворимого анода (например, железо, алюминий, медь и др.) ионы металла будут перемещаться к катоду; это явление сопровождается образованием гидрооксидов металлов, которые являются хорошими коагулянтами.

Электрофлотацию целесообразно использовать для очистки сточных вод, содержащих суммарную концентрацию металлов не более 200-300 мг/дм 3 , в противном случае снижается концентрирование осадков в пенный продукт. При большей концентрации используют осаждение, а для доочистки - электрофлотацию.

6. Сорбционные методы. Сорбция - один из эффективных методов глубокой очистки сточных вод. Эффективность сорбции обусловлена, прежде всего, тем, что сорбенты способны извлекать из воды многие неорганические и органические соединения, в том числе и биологически жесткие, не удаляемые из нее другими методами.

В качестве сорбентов могут использоваться все мелкодисперсные вещества, обладающие развитой поверхностью - опилки, зола, торф, глина, и т.п. Наиболее часто используются синтетические ионообменные смолы, угли, активированные неорганические материалы.

Механизм сорбции зависит от природы сорбента: на активированных углях преобладает молекулярная (физическая) сорбция, на ионитах - ионообменная реакция замещения; на неорганических сорбентах - молекулярная сорбция и хемосорбция. Процесс сорбции может протекать в статических и динамических условиях. Сорбция в статических условиях используется в том случае, если сорбент представляет собой тонкодисперсное вещество.

Сорбция на активных углях позволяет добиться глубокой очистки вод до норм ПДК, что особенно эффективно для очистки низкоконцентрированных сточных вод и для извлечения из сточных вод ценных компонентов (золота, урана, молибдена, рения и др.).

Обычно сорбция на активных углях используется в комбинации с другими методами, например с микробиологической очисткой и озонированием.

Сорбция на неорганических материалах. Для промышленной очистки больших объемов сточных вод чаще всего применяют кварц, тальк, доломит и известняк (расход 500-1000 мг/дм 3), шлак электросталеплавильных печей металлургических заводов (расход 75-200 мг/дм 3). Также используют глины, вермикулит, золу ТЭЦ и цеолиты.

Применение ионообменных технологий. Очистка сточных вод с помощью ионообменных технологий является перспективным, но дорогостоящим методом.

Применение ионного обмена ограничивается степенью засоленности сточных вод. Солесодержание не должно превышать 2 г/л, содержание извлекаемых ионов в сумме не более 1 г/л.

Сорбционные технологии применяют для умягчения оборотной воды, обессоливания сточных и оборотных вод. Критерием применения сорбционной очистки должно являться соотношение между необходимой глубиной очистки воды и стоимостью организации очистки, которая включает переработку элюатов.

7. Биологические методы. Биологические методы основаны на способности микроорганизмов окислять сложные органические вещества до конечных продуктов - углекислоты и воды.

Биологические методы нашли широкое применение для очистки сточных вод различных производств благодаря низкому расходу энергии, высокому возвратному энергетическому потенциалу (выделение газа во время сбраживания), отсутствию вторичного загрязнения воды, способности обеспечить жесткие нормы сброса, относительно невысоким эксплуатационным расходам.

Для биологической очистки сточные воды должны иметь pH в пределах 6,5-8,5 и температуру не менее 20 °С, поэтому необходимо предусматривать обогревание биореакторов в холодное время года в климатической зоне России. О целесообразности применения биологических методов для очистки промышленных сточных вод позволяет судить отношение БПК / ХПК: это соотношение должно быть не менее 0,67 (для бытовых сточных вод БПК п(пн /ХПК = = 0,86). Оптимальным для процесса очистки является соотношение БПК: N: Р = 100: 5: 1. Случайное поступление тяжелых металлов (медь, хром VI, кадмий) даже в небольших количествах (0,1 мг/л) может нарушить деятельность бактерий. Низко концентрированные сточные воды - БПК 500мг/л.

К бионеразлагаемым веществам относятся целлюлоза, угольная пыль, лигнин, танин, опилки и др.

Микроорганизмы нуждаются в пропорциональном питании. Формула C |06 H 18() 0 45 N, 6 P характеризует общий химический состав клеток биомассы. В промышленных сточных водах часто не хватает азота и фосфора.

На рис.3.4 приведена классификация основных аппаратов для реализации биологических методов очистки.

Рис. 3 . 4 .

Аэробная очистка осуществляется организмами, нуждающимися в свободном кислороде воздуха, и происходит как в естественных условиях (водоемах, окислительных прудах, на полях орошения), так и на искусственных очистных сооружениях (в аэротенках различных систем, аэрофильтрах, биофильтрах). Чаще всего аэробная очистка осуществляется в аэротенках - открытых бассейнах проточного типа с принудительной аэрацией, содержащих активный ил. В иле находится огромное количество бактерий и простейших. Иловая смесь (сточная вода и активный ил) подвергается интенсивной аэрации, продолжительность которой зависит от концентрации примесей в сточной воде и заданной степени очистки.

На процесс влияют: достаточность питательной среды, температура, токсичные элементы, степень аэрации. Норма растворенного кислорода не менее 2 мг/л.

Заводские пруды являются частным случаем аэробной очистки и применяются для доочистки на многих металлургических предприятиях и обогатительных фабриках. Недостаток данного способа организации биологической очистки - гибель флоры и фауны при залповых сбросах сточных вод. Степень очистки лежит в пределах 95-99%.

Анаэробные очистка , т.е. очистка без доступа кислорода воздуха проходит в менатенках - резервуарах закрытого типа, содержащих анаэробный ил, который включает различные группы микроорганизмов, осуществляющих процессы брожения. Сложные органические соединения переходят в метан и диоксид углерода. Первое бактериальное сообщество, состоящее из кислотообразующих бактерий, переводит сложные органические соединения в более простые органические вещества (уксусную, пропионовую и масляную кислоты), которые служат источником питания второго сообщества метанообразующих бактерий - они и являются основными организмами анаэробного сбраживания, представляют собой строгие анаэробы и очень чувствительны к температуре и изменению pH среды: Eh 2 системы колеблется в пределах от -0,2 до +0,3 вольта.

Анаэробная очистка ведется в диапазоне температур 30-60 °С.

К достоинствам анаэробного метода относятся: возможность очистки очень загрязненных сточных вод без предварительного разбавления и относительно невысокие эксплуатационные расходы, так как отпадает необходимость в подаче воздуха, а влажность ила и его прирост во много раз меньше, чем в аэробном процессе; в процессе сбраживания образуется значительное количество метана, который может быть использован для нужд энергетики.

Недостатки процесса: невысокая скорость процесса, биологическая устойчивость некоторых органических соединений к разложению, высокая чувствительность анаэробных процессов к температуре и концентрации веществ, взрывоопасность образующихся при брожении газов).

Заключение. На основании вышеперечисленных методов очистки сточных вод можно рекомендовать следующие компоновочные технологические решения по удалению загрязняющих веществ в зависимости от типа сточных вод перед их сбросом в поверхностные водоемы.

Производственные сточные воды.

Сборник - усреднитель сточных вод => первичные очистные сооружения (отстойники, флотаторы) => реактор (смесители, камеры хлопьеобразования, аппараты для разделения) => доочистки (сорбция, фильтрация, мембранные технологии => сброс.

Бытовые сточные воды.

Решетки => песколовка => первичные отстойники => биореактор => вторичные отстойники => узел обезвоживания осадков => узел доочистки => узел обеззараживания => выпуск.

Поверхностные сточные воды.

Песколовки => отстойники => выпуск в поверхностные источники.

В табл. 3.2 приведена сравнительная стоимость некоторых методов очистки.

Таблица 3.2

Сравнительные данные по стоимости некоторых методов очистки

Таким образом, защита гидросферы осуществляется за счет организации эффективных схем очистки источников образования сточных вод и снижения нагрузки на естественные механизмы самоочищения водоемов.

Глава: Защита гидросферы от промышленных загрязнений

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

Реферат

«Защита гидросферы от промышленных загрязнений»

Выполнила: студентка

Научный руководитель:

Уфа 2010

Введение

Важность воды и гидросферы - водной оболочки Земли, невозможно переоценить. Именно сейчас, когда темпы роста водопотребления огромны, когда некоторые страны уже испытывают острый дефицит пресной воды, особенно остро стоит вопрос снижения загрязнения пресной воды.

Основой водных ресурсов России является речной сток, составляющий в среднем по водности года 4262 км 3 , из которых 90% приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80% населения России и сосредоточен её основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал, приходится менее 8% общегодового объёма речного стока .

Увеличения расходования воды промышленностью связано не только с быстрым ростом последней, но и с ростом водоёмкости производства, то есть увеличение расхода воды на единицу продукции. Так на производство 1 тонны хлопчатобумажной ткани фабрики расходуют около 250 м 3 воды, а на производство 1 тонны синтетического волокна - 2590 - 5000 м 3 . Много воды требуется химической промышленности и цветной металлургии: на производство 1 т аммиака затрачивается 1000 м 3 воды, синтетического каучука - 2000 м 3 , никеля - 4000 м 3 . Для сравнения: на выплавку 1 т чугуна тратится 180 - 200 м 3 воды.

Использование воды для хозяйственных целей - одно из звеньев круговорота воды в природе. Но антропогенное звено круговорота отличается от естественного тем, что в процессе испарения лишь небольшая часть использованной человеком воды возвращается в атмосферу опреснённой. Другая часть (около 90%) сбрасывается в реки и водоёмы в виде сточных вод, загрязнённых отходами производства.

Большое значение имеет удовлетворение потребностей населения в питьевой воде в местах его проживания через централизованные (приоритетно) или нецентрализованные системы питьевого водоснабжения. Источниками

централизованного водоснабжения являются поверхностные воды, доля которых в общем объёме водозабора составляет 68%, и подземные воды - 32%. В сельской местности преобладает использование в питьевых целях сооружений и устройств систем децентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Вода из колодцев, родников и других источников децентрализованного водоснабжения не защищена от загрязнения и поэтому представляют высокую эпидемиологическую опасность.

Практически все поверхностные источники водоснабжения в последние годы подвергаются воздействию вредных антропогенных загрязнений, особенно такие реки, как Волга, Дон, Северная Двина, Урал, Уфа, Тобол, Томь, а также другие реки Сибири и Дальнего Востока. 70% поверхностных вод и 30% подземных потеряли питьевое значение и перешли в категории загрязнённости - «условно чистая» и «грязная». Практически 70% населения Российской Федерации употребляет воду, не соответствующую ГОСТу «Вода питьевая». Особенно тяжёлое положение с загрязнением поверхностных водоисточников сложилось в Астраханской, Кемеровской, Калининградской, Томской, Тюменской, Ярославской областях, Приморском крае. Возрастает загрязнение подземных вод, используемых для водоснабжения, в том числе нефтепродуктами, тяжёлыми металлами, пестицидами и другими вредными веществами, которые поступают в водоносные горизонты со сточными водами.

Загрязнителей гидросферы много, и они мало чем отличаются от загрязнителей атмосферы. Однако и здесь есть свои особенности, связанные с физико-химическими процессами и реакциями .

Процессы самоочищения водоемов

Процессам загрязнения в реках и водоемах противостоит процесс самоочищения, под которым понимают совокупность гидрохимических, биохимических, химических и физических процессов, приводящих к уменьшению концентрации загрязняющих веществ, а при полном самоочищении - к восстановлению естественного облика водного объекта.
Загрязнение и самоочищение водных масс рек, озер и водохранилищ являются взаимосвязанными процессами, протекающими под влиянием локальных факторов, действующих непосредственно в пределах рассматриваемой реки или водоема, и общих, действующих на водосборе водного объекта. Эти факторы могут быть подразделены на природные и антропогенные.
Целесообразно различать внешние и внутриводоемные факторы загрязнения и самоочищения водных объектов. К внешним факторам загрязнения следует отнести, в первую очередь, сбросы в водный объект сточных вод и поступление в него водных масс притоков или подземных вод, содержащих загрязняющие вещества в большей концентрации, чем воды рассматриваемого объекта. Сюда же относятся случаи загрязнения воды через атмосферу и испарение с поверхности водоемов, приводящее к увеличению в их водах концентрации тех или иных лимитирующих веществ.
Внешним фактором самоочищения является поступление в реку или озеро менее загрязненных вод, чем воды этого объекта, или же совершенно чистых вод, притоков и атмосферных осадков.
При рассмотрении внутриводоемных факторов самоочищения и загрязнения надо учитывать гидрологический режим водных объектов, гидродинамические особенности формирующихся в них течений, определяющих перенос и диффузию загрязняющих веществ, осаждение и последующее взмучивание взвешенных веществ. Важную роль могут играть биологические процессы загрязнения, например эвтрофикация водоемов. Необходимо также учитывать химические процессы преобразования веществ, их распад, синтез и т.д.

Огромная роль в самоочищении водоемов принадлежит биологическим факторам, действие которых обусловлено сложными взаимоотношениями гидробионтов. Гидробионты - растительные и животные организмы, приспособленные к жизни в водной среде. К ним относятся микробы, зеленые водоросли, простейшие, бактериофаги и др.

Взаимоотношения водных обитателей могут складываться в виде симбиоза или антагонизма. В конечном результате эти взаимовлияния приводят к самоочищению водоема.

Загрязнение водоемов сточными водами, отходами промышленных предприятий обусловливает усиленное размножение сапрофитных микробов, которые расщепляют сложные органические соединения до простых минеральных (СО2, МНз) и делают их доступными для питания автотрофных организмов (нитрифицирующих, серо- и железобактерий, водорослей). Основная роль в удалении из водоемов растворимых веществ принадлежит микробам.

Зеленые водоросли и некоторые бактерии - обитатели рек, озер, морей - вырабатывают антибиотические вещества, губительно действующие на попавших в водоемы микробов, среди которых могут быть возбудители инфекционных болезней человека или животных. Морская вода обладает вирулицидным действием на энтеро-вирусы. Отдельные виды морских бактерий обладают антагонистическими свойствами по отношению к стафилококку, кишечной палочке.

Простейшие поглощают из водоемов коллоиды, взвеси и микробов, в том числе и патогенных. Одна инфузория за 1 ч переваривает до 30000 микробов. Погибшие простейшие и водоросли в свою очередь служат пищей для сапрофитных бактерий.

Бактериофаги вызывают лизис (растворение) гомологичных бактерий (например, дизентерийный фаглизирует дизентерийную бактерию; сибиреязвенный фаг - возбудителя сибирской язвы и т. д.) и способствуют очищению водоемов от патогенных микробов. Бактериофагов обычно обнаруживают в загрязненной речной и морской воде вблизи населенных пунктов.

Механизм антимикробного действия перечисленных гидробионтов неодинаков: от прямого поглощения бактерий до их лизиса или выделения в водоем антибиотических веществ.

В самоочищении водоема участвуют все гидробионты, тем не менее основная роль принадлежит водной микрофлоре, количественный и качественный состав которой меняется в зависимости от содержания в воде органических веществ.

Степень загрязненности водоема называется сапробностью и характеризует особенности водоема: определенная концентрация органических веществ, соответствующая стадия их минерализации, условия развития и состав микроорганизмов. Различают три основные зоны сапробности: полисапробная, мезосапробная, олигосапробная.

Полисапробная зона (зона сильного загрязнения)- вода загрязнена органическими веществами, число микроорганизмов достигает нескольких миллионов в 1 мл, при этом преобладают кишечные и анаэробные гнилостные бактерии, обусловливающие процесс гниения и брожения.

Мезосапробная зона (зона умеренного загрязнения) характеризуется минерализацией органических веществ с преобладанием окислительных процессов и выраженной нитрификацией. Количество бактерий в 1 мл воды составляет сотни тысяч, причем содержание коли-бактерий значительно уменьшается.

Олигосапробная зона (зона чистой воды) обычно не содержит органических веществ. Количество бактерий в 1 мл воды составляет десятки, сотни, преобладают серо- и железобактерии.

Таким образом, наличие определенного количественного и качественного состава микроорганизмов в различных зонах санпробности характеризует активность процесса самоочищения водоема.

Самоочищение морей и океанов - сложный процесс, при котором происходит разрушение компонентов загрязнения и включение их в общий круговорот веществ. Способность моря перерабатывать углеводороды и другие виды загрязнений не безгранична. В настоящее время многие акватории уже утратили способность к самоочищению. Некоторые заливы и бухты нефть, в больших количествах скопившаяся в донных отложениях, превратила практически в мёртвые зоны.

Существует прямая зависимость между численностью нефтеокисляющих бактерий и интенсивностью нефтяного загрязнения морской воды. Наибольшее число микроорганизмов выделялось в районах нефтяного загрязнения, при этом количество бактерий, растущих на нефти, доходит до 106-107 на 1 л морской воды. Наряду с численностью микроорганизмов растёт их видовое разнообразие. Это, по всей видимости, можно объяснить большой сложностью химического состава нефти, различные компоненты которой могут потребляться только определёнными видами микроорганизмов. Нефтеокисляющие микроорганизмы можно рассматривать как индикаторы нефтяного загрязнения воды.

К морским организмам, которые участвуют в процессах самоочищения, относятся моллюски. Различают две группы моллюсков. В первую входят мидии, устрицы, гребешок и некоторые другие. Для них характерна двухстворчатая раковина. Обычно створки раковины чуть приоткрыты, и хорошо видно, как из-под радужной мантии торчат две трубочки - сифоны. Через один сифон всасывается морская вода со всеми взвешенными в ней частицами, которые оседают в специальном аппарате моллюска, а через другой очищенная морская вода возвращается в море. Все съедобные частицы усваиваются, а непереваренные крупными комочками выбрасываются наружу. Крупный моллюск мидии может пропустить через себя до 70 л воды в сутки и таким образом очистить её от возможных механических примесей и некоторых органических соединений. Подобно мидии питаются и другие морские животные - мшанки, губки, асцидии.

У моллюсков второй группы раковина или закрученная, овально-конической формы (рапаны, литорины), или напоминает колпачок (морское блюдечко). Ползая по камням, сваям, причалам, растениям, днищам судов, они ежедневно прочищают огромные заросшие поверхности.

Поистине санитар-рекордсмен - моллюск кардиум, входящий в фауну Каспийского моря. Несмотря на свои небольшие размеры (около 2,5 см), он в процессе питания успевает за сутки профильтровать до 15 л воды. При этом растворённые в ней компоненты нефти, как вещества, непригодные для питания, обволакиваются слизью и в этой «упаковке» выбрасываются на дно.

Учёные стремятся изучить деятельность морских организмов, включая водоросли, с тем, чтобы найти новые эффективные способы борьбы с загрязнением водоёмов, прежде всего богатого рыбой Каспия.

Самоочищение речной воды происходит в результате разбавления ее чистой водой и свежими притоками. В связи с этим снижается концентрация органических веществ в воде, создаются неблагоприятные условия для размножения микробов. Оседание в воде нерастворимых органических и неорганических частиц, а вместе с ними и бактерий, губительное действие ультрафиолетовых лучей на микроорганизмы способствуют самоочищению водоема .

Типы сточных вод

Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения.

Загрязнение поверхностных и подземных вод можно классифицировать следующим образом:

Механическое - повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;

Химическое - наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

Бактериальное и биологическое - наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

Радиоактивное - присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;

Тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных электростанций.

Основными источниками загрязнения и засорения водоемов являются недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных животноводческих комплексов; отходы производства при разработке рудных ископаемых, сточные воды шахт и рудников; сточные воды при обработке и сплаве лесоматериалов; стоки водного и железнодорожного транспорта; техногенные отходы предприятий металлургического комплекса и т. д.

Загрязняющие вещества сточных вод, попадая в природные водоемы, приводят к качественным изменениям, которые в основном проявляются в изменении физических свойств воды (появление неприятного запаха, привкуса и др.), в изменении ее химического состава.

Производственные сточные воды в основном загрязнены отходами и выбросами производства. Количественный и качественный состав таких стоков разнообразен и зависит от отрасли промышленности, ее технологических процессов. По составу сточные воды делят на три основные группы, содержащие:

Неорганические примеси (в том числе токсические);

Органические примеси;

Неорганические и органические загрязняющие примеси.

К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных, азотно-туковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т. д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и др. Сточные воды этой группы в основном изменяют физические свойства воды.

Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы, предприятия органического синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества. Вредоносное действие сточных вод этой группы заключается, главным образом, в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются органолептические показатели воды.

Сточные воды третьей группы образуются в процессах гальванохимической обработки поверхностей, производстве печатных плат электронной техники, в коксохимических и других технологических процессах. В составе этих стоков присутствуют неорганические кислоты, ионы тяжелых металлов, ПАВ, масла, красители, смолы и другие вещества.

Нефть и нефтепродукты на современном этапе являются основными загрязнителями внутренних водоемов, вод и морей Мирового океана. Попадая в водоемы, они создают разные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленку, растворенные или эмульгированные в воде нефтепродукты, осевшие на дно тяжелые фракции и т. д. При этом изменяется запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается количество кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека. Всего 12 г нефти делают непригодной для употребления тонну воды.

Довольно вредным загрязнителем промышленных вод является фенол. Фенол содержится в сточных водах многих нефтехимических предприятий и коксохимических производств. При этом резко снижаются биологические процессы водоемов, процесс их самоочищения, вода приобретает специфический запах карболки.

Сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности

Сточные воды целлюлозно-бумажной промышленности пагубно влияют на жизнь обитателей водоемов. Окисление древесной массы, разложение смолы и других экстрактивных продуктов сопровождается поглощением значительного количества кислорода, что приводит к гибели икры, мальков и взрослых рыб. Из гниющей древесины и коры выделяются в воду различные дубильные вещества, а топляк нередко полностью забивает дно, лишая рыб нерестилищ и кормовых мест. Волокна и другие нерастворимые вещества стоков засоряют воду и ухудшают ее физико-химические свойства. На рыбах и на их корме - беспозвоночных - неблагоприятно отражаются молевые сплавы.

Объекты ядерной энергетики загрязняют реки радиоактивными стоками. Радиоактивные вещества концентрируются в мельчайших планктонных микроорганизмах и в рыбе, затем по цепи питания передаются другим животным. Установлено, что радиоактивность планктонных обитателей в тысячи раз выше, чем радиоактивность воды, в которой они живут.

Сточные воды, имеющие повышенную радиоактивность (100 Кюри на 1 л и более), подлежат захоронению в подземных бессточных бассейнах и специальных резервуарах.

Рост населения, расширение старых и возникновение новых городов значительно увеличили поступление бытовых стоков во внутренние водоемы. Эти сточные воды стали источником загрязнения рек и озер болезнетворными бактериями и гельминтами. В еще большей степени загрязняют водоемы моющие синтетические средства, широко используемые в быту. Они находят широкое применение также в промышленности и сельском хозяйстве. Содержащиеся в них химические вещества, поступая со сточными водами в реки и озера, оказывают значительное негативное влияние на биологический и физический режимы водоемов. В результате снижается способность вод к насыщению кислородом, парализуется деятельность бактерий, минерализующих органические вещества.

В связи с расширением пищевой промышленности и животноводства все более дают о себе знать стоки предприятий данных отраслей.

Сточные воды, содержащие растительные волокна, животные и растительные жиры, фекальную массу, остатки плодов и овощей, отходы кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности, сахарных и пивоваренных заводов, предприятий мясомолочной, консервной и кондитерской промышленности, являются причиной органических загрязнений водоемов.

В сточных водах обычно содержится около 60% веществ органического происхождения, к этой же категории органических веществ относятся биологические загрязнения (бактерии, вирусы, грибы, водоросли) в коммунально-бытовых, медико-санитарных водах и отходах кожевенных и шерстомойных предприятий.

Сточные воды гальванических производств

Гальванические покрытия используются практически во всех отраслях промышленности. В Российской Федерации по оценке специалистов сегодня существует около 7000 таких цехов (только в Москве более 300 гальванических цехов и участков, производств печатных плат электронной техники). Гальваническое производство является одним из крупных потребителей цветных металлов и достаточно дорогих химических реактивов. Оно потребляет не менее 15% никеля, 50% цинка, 70% меди, производимых в нашей стране. Общая поверхность изделий, подвергаемых гальваническому покрытию, к 2002 г. превышала 0,5 млрд м 2 /г, а к 2005 г. составила до 2 млрд м 2 /г. Несмотря на существенные различия в технологии металлопокрытий различных изделий, все они создают в процессе эксплуатации отходы, которые могут находиться в жидком, твердом, пастообразном или газообразном состоянии, представляя собой различную степень опасности и токсичности для окружающей природной среды и человека.

Ежегодно для промывки изделий после гальванических покрытий расходуется не менее 650 млн. тонн чистой воды. Ежегодно при промывке изделий после гальвано-химических покрытий из рабочих ванн выносится не менее 3300 т цинка, 2400 т никеля, 2500 т меди, десятки тысяч тонн других металлов, кислот и щелочей.

Источниками загрязнения окружающей среды в гальванотехнике являются не только промывные воды, но и отработанные концентрированные растворы. Выход из строя рабочих растворов происходит по причинам накопления в электролитах посторонних органических и неорганических веществ и нарушения соотношения основных компонентов гальванических ванн. Сбросы отработанных растворов по объему составляют 0,2-0,3% от общего количества сточных вод, а по общему содержанию сбрасываемых загрязнений достигают 70%. Залповый характер таких сбросов нарушает режим работы очистных сооружений, приводит к безвозвратным потерям ценных материалов .

Попадание неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод и других видов отходов, содержащих цветные металлы, в водные объекты наносит ущерб народному хозяйству и окружающей природе не только из-за потерь используемых в производстве металлов, но и вследствие огромного негативного их воздействия на окружающую среду. Так, по данным Москомприроды, в Москве за сутки из-за несовершенства технологий обработки сточных вод и осадков сбрасывается в канализацию более 100 тыс. тонн жидких отходов, содержащих около 18 т цветных металлов. В списке городов РФ Москва числится одним из городов с высокой степенью загрязнения воздуха, воды и почвы.

Техногенные источники опасности в последние годы становятся более серьезными факторами экологического риска, чем природные. В Москве насчитывается более 70 химически опасных объектов (ХОО). К химически опасным объектам Москвы относятся две группы предприятий. Первая группа - промышленные предприятия, на которых опасные химические вещества являются исходным сырьем, образуются на промежуточных стадиях технологических процессов, являются конечными продуктами, используются при производстве тех или иных изделий. Вторая группа - это многочисленные объекты пищевой промышленности, в которой сильнодействующие ядовитые вещества используются в холодильных установках и морозильниках (аммиак), оптовые продуктовые базы (аммиак), водоочистные станции (хлор), объекты Мосводоканала, склады и базы химических реактивов и кислот, ТЭЦ (аммиак, серная и соляная кислота), автозаправочные станции (бензин, дизельное топливо) и другие. Нужно отметить, что 50 из 70 химически опасных объектов относятся ко второй группе. Причем, объекты второй группы, как правило, располагаются обычно в черте города - в густонаселенных районах. На ХОО Москвы содержится от 1,5 до 170 т аммиака, от 10 до 400 т соляной кислоты, от 5 до 340 т хлора, до 60 т серной кислоты и до 110 т азотной кислоты.

В то же время на территории Москвы расположено свыше 5 тыс. промышленных предприятий и организаций, в том числе около 2,5 тыс. автотранспортных хозяйств, 13 тепловых электростанций и их филиалов (ТЭЦ), 63 тепловых районных и квартальных станций (РТС и КТС), 103 отопительных котельных, более 1200 промышленных и коммунально-бытовых котельных (КБК). Их сточные воды и выбросы различны и многообразны, поэтому выдача рекомендаций по очистке или утилизации стоков и выбросов затруднительна. Данную проблему невозможно решить, используя глобальный и единый подход. Решение возможно только на базе всестороннего изучения состава стоков, их классификации, а затем подбора соответствующего очистного оборудования .

Нагретые сточные воды тепловых электростанций

Нагретые сточные воды тепловых электростанций и других производств причиняют «тепловое загрязнение», которое угрожает довольно серьезными последствиями: в нагретой воде меньше кислорода, резко изменяется термический режим, что отрицательно влияет на флору и фауну водоемов, при этом возникают благотворные условия для массового развития в водохранилищах сине-зеленых водорослей - так называемого «цветения воды».

При использовании в технологических процессах вода загрязняется различными органическими и минеральными веществами, в том числе и ядовитыми. Одним из источников загрязнения окружающей среды вредными веществами, и в первую очередь тяжелыми металлами, являются сточные воды гальванических производств.

Сточные воды, образующиеся на предприятиях химических производств , а также стоки, отводимые с территории промышленных предприятий, можно разделить на три категории:

Производственные сточные воды (использованные в технологическом процессе производства или образующиеся при добыче полезных ископаемых);

Бытовые стоки (от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, а также от душевых установок, имеющихся на территории промышленных предприятий);

Атмосферные стоки (дождевые и образующиеся от таяния снега).

Производственные сточные воды можно подразделить на два основных вида: незагрязненные и загрязненные.

Незагрязненные производственные сточные воды поступают от холодильных, компрессорных, теплообменных аппаратов. Кроме того, такие стоки образуются при охлаждении технологического оборудования и продуктов производства

Загрязненные производственные сточные воды содержат различные примеси, такие стоки могут быть загрязнены преимущественно органическими или преимущественно минеральными примесями.

Производственные сточные воды можно различать также по физическим свойствам, например, по температуре кипения: кипящие при температуре ниже 120 °С, 120-250 °С и выше 250 °С (в зависимости от свойств содержащихся в них примесей).

По степени агрессивности сточные воды разделяют на: а) слабоагрессивные (слабокислые, рН 6-6,5 и слабощелочные, рН 8-9); б) сильноагрессивные (сильнокислые, рН 9); в) неагрессивные (рН 6,5-8).

Для формирования состава производственных сточных вод большое значение имеет вид перерабатываемого сырья. Так, основным загрязняющим компонентом сточных вод нефтеперерабатывающих предприятий является нефть, нефтепродукты. Состав сточных вод зависит также от технологического процесса, состава исходных компонентов, промежуточных продуктов, выпускаемых продуктов, состава исходной воды, местных условий и от других факторов.

На различных предприятиях даже при одинаковых технологических процессах состав производственных сточных вод, режим водоотведения и удельный расход на единицу выпускаемой продукции будут неодинаковы.

Качественная характеристика производственных сточных вод важна для выбора метода их очистки, контроля эксплуатации очистных сооружений и сбросом сточных вод, а также для решения вопросов о возможности повторного использования стоков, извлечения и утилизации веществ, загрязняющих воду .

Основные виды загрязнений

В мировом масштабе в качестве основного загрязнителя гидросферы сегодня выступают нефть и нефтепродукты, попадающие в водную среду в результате добычи нефти, ее транспортировки, переработки и использования в качестве топлива и промышленного сырья. Среди других продуктов промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду занимают детергенты - очень токсичные синтетические моющие вещества. Они плохо поддаются очистке, а между тем в водоемы их попадает не менее половины от начального количества. Детергенты часто образуют в водоемах слои пены, толщина которых на шлюзах и порогах достигает 1 м и более. «Коварными» промышленными отходами, загрязняющими воду, являются тяжелые металлы: ртуть, свинец, цинк, медь, хром, олово и др., а также радиоактивные элементы. Особую опасность для водной среды представляет ртуть (метилртутные фракции) .

Одним из наиболее значительных источников загрязнения водных ресурсов становится сельское хозяйство. Это проявляется прежде всего в смыве удобрений и попадании их в водоемы. Нитраты и фосфаты служат своеобразными удобрениями для водных растений. В результате водоемы пышно «цветут», резко увеличиваются кормовые ресурсы (фитопланктон, микроводоросли поверхностного слоя), затем возрастает количество рыбы, ракообразных и других организмов. Однако со временем огромные толщи фитомассы отмирают, расходуя при этом все запасы кислорода. В водоеме интенсивно накапливается сероводород, а сам он, агонизируя, постепенно «умирает».

Все чаще водные ресурсы загрязняются гербицидами и пестицидами. При этом степень их накопления и проявления токсичности в значительной степени зависит от гидродинамических и термических характеристик водного объекта. Например, в непроточном водоеме ядохимикат аккумулируется в донных отложениях, которые становятся источником хронического загрязнения. С повышением температуры токсическое воздействие практически всех ядохимикатов усиливается.

Тепловое загрязнение

Специфическим видом загрязнения гидросферы является термическое (тепловое). Когда электростанции употребляют воду для конденсации отработанного пара, они возвращают ее в водоем подогретой на 10-30°С.Это приводит к уменьшению содержания кислорода в водной среде, увеличению токсичности имеющихся в ней загрязнителей, уменьшению доступа света к водной растительности, стимулированию роста вредных синезеленых водорослей и т. п.

Загрязнение нефтепродуктами

Остановимся несколько подробнее на загрязнении водной среды нефтяными углеводородами. Согласно многим источникам, ежегодно в Мировой океан поступает около 25-30 млн. т этих веществ. Пути их попадания разные: 23% общих загрязнений нефтью и нефтепродуктами приходится на преступный сброс с судов промывочных и балластных вод; 28% - на приток с речными водами; 17% - на потери при переливе нефти с танкеров при загрузке; 16% - на береговые промышленные сточные воды; 10% - на атмосферные осадки; 5% - на катастрофы танкеров и 1% - на шельфовое бурение .

Попавшая в морскую среду нефть начинает растекаться, стремясь попасть в мономолекулярный слой. Однако практически всегда образуются пятна (слитки) с чистой нефтью в центре, тогда как на периферии пятен появляется нефтеводная эмульсия. Легкие фракции нефти быстро испаряются. Таким образом, испарение играет огромную роль в перераспределении углеводородов между океаном и атмосферой. Часто случающиеся катастрофы танкеров служат причиной серьезного загрязнения не только моря, но и атмосферы! Оставшиеся после испарения высококипящие фракции нефти образуют смолистые «комки», способные погружаться на дно. Раньше этот эффект широко использовался с помощью диспергирующих агентов, погружающих нефть на дно. Однако впоследствии такой способ отвергли, так как диспергирующий агент (т. е. химикат) оказывался токсичнее самой нефти.

Помимо растворения и испарения нефть, оказавшись в водной среде, подвергается интенсивному фотохимическому и биологическому окислению (при этом для окисления 1 л нефти требуется столько кислорода, сколько его содержится в 400 000 л воды). Нетрудно сделать вывод, что это приводит к обеднению морской фауны прибрежной зоны (главным образом из-за потери кислорода).

Наиболее легко растворимой в водной среде частью нефти являются ароматические углеводороды, которые, кстати, считаются и наиболее токсичными. Именно они представляют смертельную опасность для рыб, особенно мальков. Чрезвычайно токсично также дизельное топливо, загрязняющее в первую очередь портовые акватории вследствие халатности (а нередко - и преступных действий) команд судов.

Долговременные экологические последствия загрязнения Океана и вообще всей гидросферы нефтью и нефтепродуктами изучены пока недостаточно. Есть аспекты, которые еще ждут своего исследования. Так, известно, что нефть и нефтепродукты всегда содержат полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), отличающиеся канцерогенной активностью. До сих пор считалось, что главным источником таких особо опасных веществ является отработанное машинное масло, попадающее в водную среду с судов. Однако в последние годы в науке сформировалась точка зрения, согласно которой некоторые морские организмы могут не только аккумулировать ПАУ, но и синтезировать их из сырой нефти. Если в дальнейшем это подтвердится, то проблем только прибавится.

Солевое загрязнение

Большинство стоков содержит в себе неорганические соли. Особенно много солей содержится в стоках промышленных предприятий. Соли образуются в стоках главным образом за счет нейтрализации кислот и щелочей, которые в очень больших количествах применяются в промышленных процессах. Вредность солей для гидробионтов проявляется прежде всего в нарушении осмотического равновесия. Большинство простейших выводит их из своих клеток за счет откачивания сократительными вакуолями. Вода постоянно насасывается осмосом в цитоплазму, а сократительные вакуоли выводят ее во внешнюю среду. Уже изменение концентрации соли в воде на 0,3% ведет к нарушению экскреции. В то время как рыбы мало реагируют на повышение солей в воде, беспозвоночные животные, которыми они питаются, очень чувствительны к повышению содержания солей. Среди сточных вод особо большим содержанием солей отличаются воды, сбрасываемые кожевенными заводами, которые для отделки кожи применяют различные соли. В результате количество сульфатов доходит почти до 2000 мг/л, а хлоридов - почти до 8000 мг/л. Солевое загрязнение пресных водоемов может происходить не только за счет промышленных стоков, но и за счет проникновения морской воды в пресные водоемы. Подобная ситуация может сложиться в водоемах, расположенных недалеко от моря и связанных с ним протоками. Если в пресном водоеме уровень воды снизится, то морская вода может войти в водоемы и погубить часть фауны и флоры

Технологические загрязнения - это загрязнения, формирующиеся в воде в процессе ее использования в технологических операциях на производстве. Эти загрязнения нормируются, и их концентрация в воде определяется условиями технологических операций, режимами обработки изделий и т.п.

Внесенные загрязнения - это все остальные загрязнения, попадающие в воду и которые учесть и рассчитать до использования воды невозможно. Это случайные величины. Прямым источником загрязнения воды являются технологические процессы (резания, сверления, шлифования, и т.п.). Вода также загрязняется в оборудовании, трубопроводах, перекачивающих воду агрегатах (насосы, помпы, и т.п.), емкостях хранения и подготовки воды .

Промышленные стоки представляют собой сложную водную систему, в состав которой могут входить всевозможные соединения. Поэтому перед очисткой необходимо выбрать алгоритм извлечения загрязнений из воды, т. е определиться в технологии очистки воды, а для этого необходимо выбрать соответствующие способы и оборудование.

Методы очистки сточных вод

Методы и технологическое оборудование для очистки сточных вод можно выбрать, зная допустимые концентрации примесей в очищенных сточных водах. При этом необходимо иметь в виду, что требуемые эффективность и надежность любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентрации примесей и расходов сточных вод. С этой целью применяют усреднение концентрации примесей или расхода сточных вод, а в отдельных случаях и по обоим показателям одновременно. Для этого на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители , выбор и расчет которых зависит от параметров, изменяющихся по времени сбросов сточных вод. Выбор объема усреднителя концентрации примесей сточной воды зависит от коэффициента подавления

k n =(C max - C cp )(C д - С ср ),

где С mах – максимальная концентрация примесей в сточной воде, кг/м 3 ; С cр – средняя концентрация примесей в сточной воде на входе в очистные сооружения, кг/м 3 ; С д – допустимая концентрация примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормальная эксплуатация очистных сооружений, кг/м 3 .

В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, целесообразно существующие методы классифицировать на механические, физико-химические и биологические.

Механическая очистка

Для очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле действия центробежных сил и фильтрование.

Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. В вертикальных или наклонных решетках , ширина прозоров обычно составляет 15...20 мм. Для удаления осадка веществ с входной поверхности решеток используют ручную или механическую очистку. Последующая обработка удаленного осадка требует дополнительных затрат и ухудшает санитарно-гигиенические условия в помещении. Эти недостатки устраняются при использовании решеток-дробилок, которые улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их до 10 мм и менее. В настоящее время используют несколько типоразмеров таких решеток, например, РД-200 производительностью 60 мЭ/ч и диаметром сетчатого барабана 200 мм.

Для выделения волокнистых веществ из сточных вод целлюлозно-бумажных и текстильных предприятий используют волокноуловители, например, с использованием перфорированных дисков или в виде движущихся сеток с нанесенным на них слоем волокнистой массы.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплывании) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках и жироуловителях.

Рис. 1 Схема горизонтальной песколовки

1 – входной патрубок; 2 – корпус песколовки; 3–шламосборник; 4–выходной патрубок; l – длина песколовки; Н – высота песколовки

Для расчета этих очистных устройств необходимо знать скорость свободного осаждения (всплывания) примесей (м/с):

W o =gd ч 2 (ρ ч – ρ в )/(18m),

где g – ускорение свободного падения, м/с 2 ; d ч - средний диаметр частиц, м; ρ ч и ρ в – плотности частицы и воды, кг/м 3 ; m –динамическая вязкость воды. Па/с.

Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 0,25 мм . В зависимости от направления движения сточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые. Отстойники используют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1 мм, а также от частиц нефтепродуктов. В зависимости от направления движения потока сточной воды применяют горизонтальные, радиальные или комбинированные отстойники. При расчете отстойников определяют, как правило, его длину и высоту. Существуют различные методики расчета длины отстойников.

Для расчета длины отстойника l задают расход сточной воды и размеры поперечного сечения отстойника.

Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточной воды крупных твердых примесей со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы частиц и др.), а также от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона.

Рис. 2 Схема открытого гидроциклона

l –длина отстойника; Н – высота отстойника

Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды, а также гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Производительность (м 3 /с) открытого гидроциклона

Q= 0,785qD 2 ,

где q – удельный расход воды; для гидроциклона с внутренней цилиндрической перегородкой q=7,15W 0 (W 0 –скорость свободного осаждения частиц в воде, м/с); D – диаметр цилиндрической части гидроциклона, м.

На рис. 3 представлена схема напорного гидроциклона, обеспечивающего очистку сточной воды и от твердых частиц, и от маслопродуктов. Сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гидроциклона входной трубопровод 1 поступает в гидроциклон. Вследствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник 7, откуда они периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в ней маслопродуктами движется вверх. При этом вследствие меньшей плотности маслопродуктов они концентрируются в ядре закрученного потока, который поступает в приемную камеру 3, и через трубопровод 5 маслопродукты выводятся из гидроциклона для последующей утилизации. Сточная вода, очищенная от твердых частиц и маслопродуктов, скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится для дальнейшей очистки. Трубопровод 4 с регулируемым проходным сечением предназначен для выпуска воздуха, концентрирующегося в ядре закрученного потока очищаемой сточной воды.

Рис. 3 Схема комбинированного гидроциклона

1-входной трубопровод; 2-камера; 3-приемная камера; 4, 5, 6-трубопровод; 7-шламосборник

Такие гидроциклоны используют для очистки сточных вод прокатных цехов с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов соответственно 0,13...0,16 и 0,01...0,015 кг/м 3 и эффективностью их очистки около 0,7 и 0,5.

Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией.

Его используют как на начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых методов физико-химической или биологической очистки. Для очистки сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильтров: зернистые, в которых очищаемую сточную воду пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовляют из связанных пористых материалов (сеток, натуральных и синтетических тканей, спеченных металлических порошков и т. п.).

Для очистки больших расходов сточных вод от мелкодисперсных твердых примесей применяют зернистые фильтры (рис. 4). Сточная вода по трубопроводу 4 поступает в корпус 1 фильтра и проходит через фильтровальную загрузку 3 из частиц мраморной крошки, шунгизита и т. п., расположенную между пористыми перегородками 2 и 5. Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме, ограниченном пористой перегородкой 5, и выводится из фильтра через трубопровод 8. По мере осаждения твердых частиц в фильтровальном материале перепад давлений на фильтре увеличивается и при достижении предельного значения перекрывается входной трубопровод 4 и по трубопроводу 9 подается сжатый воздух. Он вытесняет из фильтровального слоя 3 воду и твердые частицы в желоб 6, которые затем по трубопроводу 7 выводятся из фильтра. Достоинством конструкции фильтра является развитая поверхность фильтрования, а также простота конструкции и высокая эффективность.

В настоящее время для очистки сточных вод от маслопродуктов широко используют фильтры с фильтровальным материалом из частиц пенополиуретана. Пенополиуретановые частицы, обладая большой маслопоглощающей способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0,97...0,99 при скорости фильтрования до 0,01 м/с. При этом насадка из пенополиуретана легко регенерируется при механическом выжимании маслопродуктов.

Физико-химические методы очистки

Данные методы используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции.

Коагуляция и флокуляция

Коагуляция и флокуляция - это другие, принципиально близкие способы физико-химической очистки производственных сточных вод и стоков другого происхождения. Во время этих процессов происходит реакция загрязняющих стоки веществ:
1. с минеральными соединениями - данный процесс очистки сточных вод называется коагуляция;
2. с высокомолекулярными агентами - данный процесс очистки стоков называется флокуляция.

В качестве веществ, способствующих коагуляции загрязнений сточных вод используются в основном соли железа и алюминия. Данные коагулянты в результате химической реакции с загрязнениями промышленных сточных вод превращаются в нерастворимые формы гидроксидов этих металлов. При своем образовании эти гидроксиды захватывают органические и неорганические примеси из стоков. При этом в обрабатываемых сточных водах формируются рыхлые хлопья. Данные хлопья затем могут быть легко удалены из очищаемой воды. Необходимо отметить, что при использовании процесса коагуляции для очистки промышленных стоков образуются высоковлажные объемные осадки. Данные осадки, после очистки производственных сточных вод необходимо в дальнейшем утилизировать.

Сущность метода флокуляции для очистки сточных вод заключается в том, происходит адсорбция (прилипание) флокулянта на поверхности нескольких твердых частиц-загрязнителей стоков. В данном процессе также образуются хлопья. Самыми эффективными веществами-флокулянтами для очистки сточных вод являются органические полимеры и активированная кремниевая кислота. К недостатку данного метода очистки стоков можно отнести отсутствие единого вещества-флокулянта для очистки стоков от большинства загрязнителей. В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.

Флотация

Флотация предназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса имеет место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде газа. Образование агрегатов «частица – пузырьки газа» зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия содержащихся в воде веществ, избыточного давления газа в сточной воде и т. п.

В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.

В настоящее время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.

Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

Экстракция

Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимнонерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента). Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции

K э =C э /C в ,

где С э и С в – концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бутилацетата К э составляет соответственно 2,4 и 8...12. Для интенсификации процесса экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей. Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение рН ≈ 6,7 (нейтральная среда). Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, едким кали, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами щелочей и т. п. Наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроокись кальция (гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты.

Теоретический расход щелочей (кислот) для нейтрализации содержащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответствии с уравнениями реакций нейтрализации по формуле

q = сМ э /М к ,

Где с – концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде; М э и М к – молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щелочи) или их солей.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

– фильтрационный – путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

– водно-реагентный – добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

– полусухой – перемешиванием высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых примесей. В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент – активированный уголь. Расход сорбента

m = Q(С o –С к )/δ,

Где Q – расход сточной воды, м 3 с; С о и С к –концентрации примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м 3 ; δ – удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента, кг/с.

Ионообменную очистку применяют для обессоливания и очистки сточных вод от ионов металлов и других примесей. Очистку осуществляют ионитами – синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в сточной воде.

Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н + или Na + - форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН - - или солевой форме), а также иониты смешанного действия.

А) б)

Рис. 5. Технологическая схема ионообменной очистки сточных вод:

а – одноступенчатая очистка; б – очистка с двухступенчатым анионированием; в – очистка с промежуточной дегазацией и двухступенчатым анионированием; К– катионитовый фильтр; А–анионитовый фильтр; Д–декарбонизатор. ПБ–промежуточный бак

Электрохимическая очистка

Электрохимическая очистка , в частности, электрохимическое окисление осуществляется электролизом и реализуется двумя путями: окислением веществ путем передачи электронов непосредственно на поверхности анода или через вещество–переносчика, а также в результате взаимодействия с сильными окислителями, образовавшимися в процессе электролиза.

Наличие в сточной воде достаточного количества хлорид-ионов обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (С1 2 , НОС1, С1 2 O, С1O , СlOз), который является сильнейшим окислителем и способен вызывать глубокую деструкцию многих органических веществ, содержащихся в сточных водах.

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных вод гальванических процессов, содержащих простые цианиды (КCN, NaCN) или комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов. Электрохимическое окисление осуществляют в электролизерах (обычно прямоугольной формы) непрерывного или периодического действия. На аноде происходит окисление цианидов в малотоксичные и нетоксичные продукты (цианаты, карбонаты, диоксид углерода, азот), а на катоде – разряд ионов водорода с образованием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка, кадмия, образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержанием CN-группы.

Гиперфильтрация

Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов путем фильтрования их через мембраны, поры которых размером около 1 нм пропускают молекулы воды, задерживая гидратированные ионы солей или молекулы недиссоциированных соединений. По сравнению с другими методами очистки гиперфильтрация требует малых энергозатрат, установки для очистки конструктивно просты и компактны, легко автоматизируются, фильтрат имеет высокую степень чистоты и может быть использован в оборотных системах водоснабжения, а сконцентрированные примеси сточных вод легко утилизируются или уничтожаются.

Перенос воды и растворенного вещества через мембрану оценивается уравнениями

Q = k 1 (P p -∆p);

F=k 2 ∆c,

где Q – расход воды через мембрану, м 3 /с, k 1 , k 2 –коэффициенты проницаемости соответственно воды и растворенного вещества через конкретную мембрану; Р р – рабочее давление на входе в мембрану, Па; ∆р – разность осмотических давлений раствора на входе в мембрану, Па, ∆с – разность концентраций растворенного в воде вещества на входе в мембрану и выходе из нее, кг/м 3 ; F– масса растворенного вещества, переносимого через мембрану, кг.

Эвапорация

Эвапорация реализуется обработкой паром сточной воды с содержанием летучих органических веществ, которые переходят в паровую фазу и вместе с паром удаляются из сточной воды. Процесс эвапорации осуществляют в испарительных установках, в которых при протекании через эвапорационную колонну с насадками из колец Рашига навстречу потоку острого пара сточная вода нагревается до температуры 100° С. При этом содержащиеся в сточной воде летучие примеси переходят в паровую фазу и распределяются между двумя фазами (паром и водой) в соответствии с уравнением

С п /C в = у,

где С п и C в , – концентрации примеси в паре и сточной воде, кг/м 3 ; у – коэффициент распределения.

Выпаривание, испарение и кристаллизацию используют для очистки небольших объемов сточной воды с большим содержанием летучих веществ.

Для глубокой очистки загрязненных промышленных сточных вод используется так называемые мембранные методы очистки стоков. Одним из таких методов очистки является обратный осмос. При этом сточные воды под давлением подаются на специальную полупроницаемую (обратноосмотическую) полимерную мембрану. При этом мембрана пропускает чистую воду, а загрязняющие агенты стоков эффективно задерживаются . Мембранными методами возможно выделять из сточных вод и утилизировать низкомолекулярные вещества, например соли, кислоты и т.д. При мембранных методах очистки сточных вод рекомендуется проведения предварительной очистки стоков.

Использование мембранных технологий для очистки сточных вод

Мембранная очистка сточных вод промышленных предприятий

По причине огромного разнообразия промышленных объектов и индивидуального состава каждого объекта типовых решений систем очистки сточных вод не существует. Однако общее требование к этой проблеме следующее - максимальная локализация установок водоочистки на местах образования стоков для возврата очищенной воды и ценных компонентов в повторное использование. Главное преимущество мембранных процессов очистки стоков перед любой другой технологией - безреагентность, что и позволяет удовлетворить это требование.

Все ужесточающиеся требования экологических служб заставляют производственников вкладывать деньги в собственные сооружения очистки сточных вод. Уже сегодня в РФ стоимость сброса в канализацию 1 м 3 промышленных сточных вод равна стоимости 1 м 3 свежей воды, и то лишь при условии непревышения нормативов содержания в воде загрязняющих компонентов. Это уже сейчас вызывает ажиотажный спрос на рынке мембранных систем очистки сточных вод .

Очистка сточных вод, содержащих эмульгированные нефтепродукты

К этому типу сточных вод относятся ливневые стоки, отработанные смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ); стоки автомоек, отработанные моющие растворы ремонтных, гальванических, покрасочных и т. п. предприятий и цехов. Основная технологическая идея очистных установок для этих сточных вод представлена на рис. 6. Часто в исходных стоках содержится крупнозернистая твердая фаза - песок, металлические и полимерные частицы. Они удаляются в отстойнике 1 в виде осадка, а жидкая фаза поступает на механический фильтр 2, где освобождается от взвешенных и коллоидных частиц твердых загрязнений. Фильтрат поступает в сборник-разделитель 3, откуда подается в мембранный аппарат 4. Требования к мембране - ультрафильтрационная мембрана из сильно гидрофильного материала. При гарантированной высокой линейной скорости жидкости происходит выделение пермеата, который может быть отправлен обратно в производство, и возвращение концентрата в сборник 3. В нем постепенно повышается концентрация масла до состояния, когда оно из эмульсии переходит в сплошную фазу - слой нефтепродуктов на поверхности воды. Этот слой удаляется и обычно поступает на сжигание.

Рис. 6 Принципиальная технологическая схема очистки сточных вод, содержащих масляные эмульсии:

1 - отстойник; 2 - механический фильтр; 3 - сборник-разделитель; 4 - мембранный аппарат; 5 – исходный раствор; 6 – осадок; 7 – шлам; 8 – масло; 9 – очищенная вода

Очистка сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов

К этому типу относятся промывные сточные воды гальванических производств, шахтные стоки, жидкие радиоактивные отходы. Особенностью этих стоков является относительно низкая концентрация токсичных компонентов на фоне высокого содержания нейтральных солей. Например, в гальванических отходах при 500 мг/л хлоридов Na+ и Са2+ содержится 10-50 мг/л одного из ионов Cr3* , Cu2+ , Pb2+ , Zn2+ , Ni2+ и др. В жидких радиоактивных стоках содержание Cs137, Co60, Sr90 или U237 вообще не может быть измерено в массовых единицах. Для таких многокомпонентных сточных вод идеальным является технологический прием - мицеллярно-усиленная ультрафильтрация. Процесс можно проводить по той же технологической схеме (см рис. выше), надо только в сборник 3 дозировать тщательно подобранный ассоциирующий реагент. Обычно процесс проходит в периодическом режиме, когда после длительного этапа накопления концентрата в сборнике до предельно возможного уровня его сразу весь передают на последующую переработку - выделение металлов или подготовку к длительному хранению .

Очистка стоков, содержащих ПАВ

(ПАВ - это низкомолекулярные соединения, М.м. ~300). Такие стоки образуются при стирке одежды, после любых процессов мойки оборудования и изделий. Эти сточные воды содержат растворенные поверхностно-активные вещества и различные загрязнения, которые отмылись с твердых поверхностей. Спецификой этих стоков являются следующие обстоятельства:

Отмываемые загрязнения - это как правило, высокомолекулярные и коллоидные частицы: белки, полисахариды, микроорганизмы, жиры, нефтепродукты, оксиды металлов и т. д.;

Роль ПАВ в процессе мойки и стирки - снизить поверхностное натяжение воды, чтобы облегчить либо растворение молекул загрязнений в воде, либо переход их в воду в виде эмульсий и взвесей.

Благодаря разделительным свойствам мембран возникает уникальная возможность почти полностью вернуть ПАВ на повторное использование (см. рис. 7).

Рис.7 Принципиальная схема переработки моющих растворов:

1 - стиральная машина; 2 - емкость; 3 - механический фильтр; 4 - мембранный аппарат; 5 – добавление ПАВ и воды; 6 – возврат ПАВ и воды; 7 – пермеат с ПАВ; 8 – концентрат загрязнений

Раствор после стирки в машине 1 собирается в емкости 2, где производится его подготовка к разделению. На механическом фильтре 3 из раствора выделяются крупные твердые частицы, в мембранном аппарате образуется пермеат с той же концентрацией ПАВ, что и в сбросном растворе, но освобожденный от всех видов загрязнений. Расход концентрата может быть доведен до 0,5-1,0% от начального .

Очистка сточных вод, содержащих белковые соединения

Эти сточные воды образуются в перерабатывающей и биотехнологической промышленности: молочная сыворотка после выделения творога и сыра; бульоны после варки рыбы при производстве рыбной муки; культуральные жидкости после выделения из них продуктов микробного синтеза, барда после отгонки спирта из бражки. Особенностью таких стоков являются следующие обстоятельства:

Белковые соединения имеют очень большую молекулярную массу (М.м. > 20000), но концентрация их в сточных водах низка для того, чтобы выделять их денатурацией - нагреванием, высаливанием или коагуляцией нерастворителями;

Все белки являются ценной пищевой или кормовой добавкой;

Как правило, остальные компоненты стоков - органические и минеральные соединения - имеют малые молекулярные массы.

Ярким примером является переработка сточных вод сыроваренных заводов. Сыр представляет собой денатурированный молочный белок - казеин, который практически полностью утилизируется. Но параллельно с казеином в молоке находятся так называемые сывороточные белки, пищевая ценность которых гораздо выше, чем у казеина. Они остаются в растворе, т. е. в сыворотке, и до появления мембранных процессов весь поток целиком сбрасывался в канализацию. Сегодня сывороточные белки улавливаются в ультрафильтрационном концентрате и служат для изготовления специальных продуктов питания.

В пермеате ультрафильтрации содержится лактоза - молочный сахар, которую концентрируют обратным осмосом, сушат и используют в кондитерской промышленности .

Замкнутые системы водного хозяйства

Задача очистки сточных вод определяется характером их дальнейшего использования в народном хозяйстве. В перспективе процент использования доочищенных сточных вод в промышленности и городском хозяйстве должен резко возрасти. Конечной является задача создания замкнутых систем водного хозяйства предприятий, при которых отсутствует сброс сточных вод в водоемы.

Таким образом, встает вопрос об изменении научного подхода, принципов проектирования и эксплуатации систем водного хозяйства при разработке промышленных предприятий, территориально-промышленных комплексов (ТПК) и региональных схем развития промышленности.

Коррозия металла, возникающая в системах оборотного водоснабжения промышленных предприятий, наносит большой ущерб народному хозяйству.

В ближайшие годы во многих промышленно развитых районах с напряженным водным балансом предполагается использовать очищенные городские сточные воды в промышленности, на транспорте, в строительстве, городском хозяйстве и для орошения сельскохозяйственных земель.

Основные предпосылки для создания замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий следующие.

Создание замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий требует изменения постановки научных исследований.

От разработки отдельных методов очистки сточных вод необходимо перейти к разработке системы водного хозяйства промышленных предприятий, которая включает оптимизацию использования воды во всех операциях, производствах и цехах; регенерацию отработанных растворов; извлечение из сточных вод ценных компонентов; методы очистки локальных потоков сточных вод и создание локальных замкнутых систем технического водоснабжения; решение вопросов, связанных с глубокой очисткой сточных вод, подготовкой их для подпитки оборотных систем водоснабжения; обработкой оборотной воды этих систем; обезвреживанием осадков.

При такой постановке вопроса в кратчайший срок могут быть разработаны системы водного хозяйства предприятий с учетом уже известных методов очистки сточных вод и выявлены те узлы, для которых в настоящее время отсутствуют готовые решения или известные не являются оптимальными; иными словами, будут определены задачи дальнейших исследований в областях совершенствования основной технологии и очистки сточных вод.

В некоторых случаях окажется наиболее рациональным создание замкнутых систем водного хозяйства на отдельных промышленных предприятиях, в ТПК или районах.

Таким образом, решение проблемы создания замкнутых систем водного хозяйства промышленных предприятий выдвигает ряд новых задач, от решения которых зависят сроки внедрения этих систем.

В настоящее время особое внимание обращено на создание территориально-производственных комплексов (ТПК) как основной хозяйственной единицы, так как для развития народного хозяйства большое значение имеет решение вопросов территориального использования различных природных ресурсов.

В этом случае целесообразно на всех крупных рыбокомбинатах ТПК внедрять системы биологической очистки с дальнейшей переработкой избыточного активного ила в органоминеральные удобрения, пригодные для употребления в сельском хозяйстве.

Агропромышленный комплекс (АПК) является одной из сложнейших территориально-производственных единиц, так как использование возобновляемых природных ресурсов в сельском хозяйстве в сочетании с обслуживающими и обрабатывающими сельское хозяйство промышленными предприятиями ставит ряд задач по предотвращению вредного воздействия отходов комплекса на окружающую природную среду.

Сельское хозяйство и его промышленные предприятия по переработке продукции дают значительное количество органических отходов, подвергающихся быстрому разложению с выделением токсичных соединений.

Автоматизация является основным средством создания оптимального режима работы как отдельных очистных сооружений, так и всего комплекса объектов водного хозяйства.

Такие условия требуют создания на этих комбинатах замкнутых циклов водного хозяйства и очистки сточных вод для повторного их использования.

В комплексной схеме приняты следующие решения: сточные воды технологических процессов химического комбината и ТЭЦ замкнуты в локальных циклах водного хозяйства с очисткой производственных сточных вод на определенной ступени цикла; выпуск в отдельные сети канализации осуществляется только для потоков, очистка которых предусмотрена на общезаводских очистных сооружениях.

При этом образуется гомогенная масса, которая обладает клеящими свойствами по отношению к различным субстратам и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства: строительстве, сельском хозяйстве, деревообрабатывающей и полиграфической промышленности .

Заключение

Логика развития жизни на Земле определяет деятельность человека как главный фактор, причем биосфера может существовать без человека, но человек не может существовать без биосферы. Фактором существования биосферы является чистая вода. Следующие поколения не простят нам то, что мы лишили их возможности наслаждаться первозданной природой. Сохранить гармонию человека и природы - основная задача, которая стоит перед настоящим поколением. Это требует изменения многих ранее сложившихся представлений о соизмерении человеческих ценностей. Необходимо развитие у каждого человека «экологического сознания», которое будет определять выбор вариантов технологий, строительства предприятий и использования природных ресурсов.

Одна из наиважнейших нынешних задач человечества - охрана природы, проблема, ставшая социальной. Снова и снова мы слышим об опасности, грозящей окружающей среде, но до сих пор многие из нас считают их неприятным, но неизбежным порождением цивилизации и полагают, что мы ещё успеем справиться со всеми выявившимися затруднениями.

Однако воздействие человека на окружающую среду приняло угрожающие масштабы. Чтобы в корне улучшить положение, понадобятся целенаправленные и продуманные действия. Ответственная и действенная политика по отношению к окружающей среде будет возможна лишь в том случае, если мы накопим надёжные данные о современном состоянии среды, обоснованные знания о взаимодействии важных экологических факторов, если разработает новые методы уменьшения и предотвращения вреда, наносимого природе человеком.

Миру нужна устойчивая практика управления водными ресурсами, однако мы еще недостаточно быстрыми темпами движемся в правильном направлении. Китайская пословица гласит: "Если мы не изменим курс, то можем прийти туда, куда направляемся". Если не изменить направление движения, многие районы будут по-прежнему испытывать нехватку воды, многие люди будут по-прежнему страдать, будут продолжаться конфликты из-за воды и новые площади ценных сильно увлажненных земель будут уничтожены.

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рациональное использование для нужд народного хозяйства - одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения. В России широко осуществляются мероприятия по охране окружающей среды.

На реализацию комплекса мер по охране водных ресурсов от загрязнения и истощения во всех развитых странах выделяются ассигнования, достигающие 2-4 % национального дохода ориентировочно, на примере США, относительные затраты составляют (в %): охрана атмосферы 35,2 % , охрана водоемов - 48,0, ликвидация твердых отходов - 15,0, снижение шума -0,7, прочие 1,1. Как видно из примера, большая часть затрат - затраты на охрану водоемов .

Одна из основных задач современного образования - становление экологического способа мышления. Так правительством РБ в 1991 г. была одобрена Республиканская программа по образованию в области окружающей среды. В ней определены цели и принципы организации экологического образования в области охраны окружающей среды. Важным моментом является тот факт, что приоритетность экологического образования, обязательность введения природоохранных дисциплин во всех учебных заведениях закреплены в законах РБ «Об образовании» и «Об охране окружающей среды». От лозунга «Взять от природы все» необходим переход к лозунгу «Природа наш дом» .

Таким образом, охрана и рациональное использование водных ресурсов - это одно из звеньев комплексной мировой проблемы охраны природы.

Список литературы

1 Журнал « Заводское хозяйство России », 2007, № 5.

2 Журнал « Экология и промышленность России », 2006, № 9

3 Кашапов Р.Ш. Введение в основные экологические проблемы Башкирии: Учебное пособие. – Уфа: БГПИ, 1992. – 107 с.

4 Коробкин В.И., Предельскией Л,В. Экология: Учебник для студ.вузов. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2000. – 576 с.

5 Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек: Учебное пособие для вузов. – М.: Агенство « ФАИР », 1998. – 320 с.

6 Охрана окружающей среды: Учебник для вузов / Авт.-сост. А.С. Степановских. – М.: ЮНИТИ, 2000. – 510 с. Виды загрязнения гидросферы.Пути попадания загрязнений в почву и классификация почвенных загрязнений.

Реферат-Проблема загрязнения водных ресурсов

• 168 КБ
• добавлен 28.01.2012

МОУ СОШ №50, г. Мурманск, 2006 год, 22 стр.
Введение. Гидросфера как природная среда.
Загрязнение гидросферы:
Загрязнение Мирового океана тяжёлыми металлами.
Загрязнение Мирового океана бытовыми отходами.
Сброс отходов с целью захоронения (дампинг).
Загрязнение Мирового океана ксенобиотиками.
Загрязне...