Методы защиты гидросферы
Гидросфера земли.
Гидросфера - водная среда, которая включает поверхностные и подземные воды. Поверхностные воды в основном сосредоточены в Мировом океане, содержащем около 91% всей воды на Земле. Поверхность Мирового океана (акватория) составляет 361 млн/км квадратных. Она примерно в 2,04 раза больше площади суши – территории, занимающей 149 млн/км квадратных. Если распределить воду ровным слоем, то она покроет Землю толщиной в 3000 метров.
Вода в океане (94%) и под землей – соленая. Количество пресной воды составляет 6% общего объема воды на Земле, причем очень малая ее доля всего 0,36% имеется в легкодоступных для добычи местах.
Каждый житель Земли в среднем потребляет 650 м кубических воды в год (1780 литров в сутки). Однако для удовлетворения физиологических потребностей достаточно 2,5 литра в день, т.е. около 1 м кубического в год.
Вода – не только условие жизни индивидуального организма. Без нее не возможно было бы существование биосферы, жизни на Земле, поскольку круговорот веществ и энергии в биосфере возможен только с участием воды. В ходе круговорота воды с поверхности Мирового океана ежегодно испаряется 453 000 куб. м. воды.
Виды загрязнения поверхностных и подземных вод:
физическое – повышение содержания механических
примесей, свойственное в основном поверхностным видам
загрязнения;
химическое – наличие в воде неорганических и органических
веществ токсического и нетоксического действия;
радиоактивное – присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;
бактериальное и биологическое - наличие в воде
разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и
мелких водорослей;
Источники загрязнения.
Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающее качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов.
1) Промышленные, сельскохозяйственные, бытовые сточные воды
Промышленные: В индустриально развитых странах главным потребителем воды и самым крупным источником стоков является промышленность. Вода выполняет разные функции, например служит сырьем, обогревателем и охладителем в технологических процессах, кроме того, транспортирует, сортирует и промывает разные материалы. Вода также выводит отходы на всех стадиях производства - от добычи сырья, подготовки полуфабрикатов до выпуска конечной продукции и ее расфасовки. Поскольку гораздо дешевле выбрасывать отходы разных производственных циклов, чем перерабатывать и утилизовать, с промышленными стоками сбрасывается громадное количество разнообразных органических и неорганических веществ.
Сельскохозяйственные: Вторым основным потребителем воды является сельское хозяйство, использующее ее для орошения полей. Стекающая с них вода насыщена растворами солей и почвенными частицами, а также остатками химических веществ, способствующих повышению урожайности. К ним относятся инсектициды; фунгициды; гербициды, знаменитое средство борьбы с сорняками; и прочие пестициды, а также органические и неорганические удобрения, содержащие азот, фосфор, калий и иные химические элементы.
Кроме химических соединений, в реки попадает большой объем фекалий и других органических остатков с ферм, где выращиваются мясо-молочный крупный рогатый скот, свиньи или домашняя птица. Много органических отходов также поступает в процессе переработки продукции сельского хозяйства (при разделке мясных туш, обработке кож, производстве пищевых продуктов и консервов и т.д.).
Бытовые сточные воды : Наиболее известным источником загрязнения воды, которому традиционно уделяется главное внимание, являются бытовые (или коммунальные) сточные воды. В растворенном виде в сточных водах присутствуют мыло, синтетические стиральные порошки, дезинфицирующие средства, отбеливатели и другие вещества бытовой химии. Из жилых домов поступает бумажный мусор, включая туалетную бумагу и детские подгузники, отходы растительной и животной пищи. С улиц в канализацию стекает дождевая и талая вода, часто, с песком или солью, используемыми для ускорения таяния снега и льда на проезжей части улиц и тротуарах.
2) Бытовые отходы
В моря и океаны через реки, непосредственно с суши, а также с судов и барж попадают жидкие и твёрдые бытовые отходы. Часть этих загрязнений оседает в прибрежной зоне, а часть под влиянием морских течений и ветра рассеивается в разных направлениях. Бытовые отходы опасны тем, что они являются переносчиками болезней человека (главным образом кишечной группы – брюшной тиф, дизентерия, холера.
3) Загрязнение нефтью и нефтепродуктами
Нефть и нефтепродукты являются наиболее распространенными загрязняющими веществами в Мировом океане. К началу 80-ых годов в океан ежегодно поступало около 16 млн. т. нефти, что составляло 0, 23% мировой добычи. Наибольшие потери нефти связаны с ее транспортировкой из районов добычи. Слив за борт танкерами промывочных и балластных вод, при авариях танкеров и разрывов на трубопроводах. - все это обуславливает присутствие постоянных полей загрязнения на трассах морских путей.
4) Загрязнение ионами тяжелых металлов
Загрязнение тяжелыми металлами. Нарушает жизнедеятельность водных организмов и человека. Тяжелые металлы (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь, мышьяк) относятся к числу распространенных и весьма токсичных загрязняющих веществ. Большие массы этих соединений поступают в океан через атмосферу. Ртуть переносится в океан с материковым стоком и через атмосферу. Свинец - типичный рассеянный элемент, содержащийся во всех компонентах окружающей среды: в горных породах, почвах, природных водах, атмосфере, живых организмах. Наконец, свинец активно рассеивается в окружающую среду в процессе хозяйственной деятельности человека. Это выбросы с промышленными и бытовыми стоками, с дымом и пылью промышленных предприятий, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания.
5) Кислотные дожди
Загрязнение кислотными дождями. Приводит к закислению водоемов и гибели экосистем.
Термином "кислотные дожди" называют все виды метеорологических осадков - дождь, снег, град, туман, дождь со снегом, - рН которых меньше, чем среднее значение рН дождевой воды (средний рН для дождевой воды равняется 5.6).
6) Тепловое
Тепловое загрязнение вызывает сброс в водоемы подогретых вод ТЭС и АЭС, что приводит к массовому развитию синезеленых водорослей, так называемому цветению воды, уменьшению количества кислорода и отрицательно влияет на флору и фауну водоемов.
Последствия загрязнения
1. Проблема пресной воды, органическое загрязнение водоемов, ухудшение качества питьевой воды.
2. Гибель растений и животных.
3. Неконтролируемое развитие водорослей.
4. Гибель водных экосистем с непроточной водой.
5. Заболачивание местности.
Методы очистки сточных вод
Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода, в каждом конкретном случае, определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.
1. Механический метод
Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75 % нерастворимых примесей, а из промышленных - до 95 %, многие из которых, как ценные примеси, используются в производстве.
2. Химический метод
Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95 % и растворимых до 25 %
3. Физико-химический метод
При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.
Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.
4. Биологический метод
Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротенки.
В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах. В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем. Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии (не слипающиеся в хлопья) омолаживают бактериальную массу ила.
Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)
Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.
Самоочищение водоемов
Факторы самоочищения водоемов: физические, химические, биологические.
Каждый водоем – это сложная система, где обитают бактерии, высшие водные растения, различные беспозвоночные животные. Совокупная их деятельность обеспечивает самоочищение водоемов. Но этот процесс затруднен в связи с нарушением биологического равновесия, поэтому одна из природоохранных задач поддержать способность самоочищения водоемов от примесей.
Среди физических факторов первостепенное значение имеет разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений. Хорошее перемешивание и снижение концентраций взвешенных частиц обеспечивается быстрым течением рек. Способствует самоочищению водоемов оседание на дно нерастворимых осадков, а также отстаивание загрязненных вод. В зонах с умеренным климатом река самоочищается через 200-300 км от места загрязнения, а на Крайнем Севере – через 2 тыс. км.
Обеззараживание воды происходит под влиянием ультрафиолетового излучения Солнца. Эффект обеззараживания достигается прямым губительным воздействием ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток, а также споровые организмы и вирусы.
Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу или по общему содержанию органических веществ.
Санитарный режим водоема характеризуется прежде всего количеством растворенного в нем кислорода. Его должно быть не менее 4 мг на 1 л воды в любой период года для водоемов первого и второго видов. К первому виду относят водоемы, используемые для водоснабжения предприятий, ко второму – используемые для купания, спортивных мероприятий.
К биологическим факторам самоочищения водоема относятся водоросли, плесневые и дрожжевые грибки.
Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира. Каждый моллюск отфильтровывает в сутки более 30 л воды.
Чистота водоемов немыслима без охраны их растительности. Только на основе глубокого знания экологического состояния каждого водоема, эффективного контроля за развитием, населяющих его различных живых организмов, можно достичь положительных результатов, обеспечить прозрачность и высокую биологическую продуктивность рек, озер и водохранилищ.
Неблагоприятно на процессы самоочищения водоемов влияют и другие факторы. Химическое загрязнение водоемов промышленными стоками тормозит естественные окислительные процессы, убивает микроорганизмы. То же относится и к спуску термальных сточных вод тепловыми электростанциями.
Многостадийный процесс, иногда растягивающийся на длительное время – самоочищение от нефти. В природных условиях комплекс физических процессов самоочищения воды от нефти состоит из ряда составляющих: испарения; оседания комочков, особенно перегруженных наносами и пылью; слипание комочков, взвешенных в толще воды; всплывания комочков, образующих пленку с включениями воды и воздуха; снижения концентраций взвешенной и растворенной нефти вследствие оседания, всплывания и смешивания с чистой водой. Интенсивность этих процессов зависит от свойств конкретного вида нефти (плотность, вязкость, коэффициент теплового расширения), наличия в воде коллоидов, взвешенных частиц планктона и т.д., температура воздуха и от солнечного освещения.
3. Бессточные производства
Темпы развития индустрии сегодня настолько высоки, что одноразовое использование для производственных нужд запасов пресной воды – недопустимая роскошь.
Поэтому ученые заняты разработкой новых бессточных технологий, что практически полностью решит проблему защиты водоемов от загрязнения.
При замкнутой технологии предприятие использованную и очищенную затем воду возвращает в оборот, а из внешних источников только пополняет потери.
Охрана поверхностных вод РФ
Водное законодательство России регулирует отношения в области использования и охраны водных объектов в целях обеспечения прав граждан на чистую воду и благоприятную водную среду; поддержание оптимальных условий водопользования; качества поверхностных и подземных вод в соответствии с санитарными и экологическими требованиями; защиты водных объектов от загрязнения, засорения и истощения; сохранения биологического разнообразия водных экосистем.
Согласно Водному кодексу РФ, использование водных объектов для питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения является приоритетным. Для этих водоснабжений должны использоваться защищенные от загрязнения и засорения поверхностные и подземные водные объекты.
Запрещается сброс сточных и дренажных вод в водные объекты:
2. отнесенные к особо охраняемым;
3. находящиеся в курортных зонах, местах отдыха населения;
4. находящиеся в местах нереста и зимовки ценных и особо охраняемых видов рыб, в местах обитания ценных и занесенных в Красную книгу видов животных и растений.
Порядок разработки и утверждения нормативов предельно допустимых вредных воздействий на водные объекты устанавливается правительством РФ.
4. Мониторинг водных объектов
14 марта 1997 г. правительство РФ утвердило «Положение о введении государственного мониторинга водных объектов».
Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды ведет наблюдение за загрязнением поверхностных вод суши. Санитарно-эпидемологическая служба РФ отвечает за санитарную охрану водоемов. Работает сеть санитарных лабораторий на предприятиях для изучения состава сточных вод и качества воды водоемов. Работа осуществляется с помощью автоматических приборов. Электрические датчики постоянно измеряют концентрации загрязнений, что способствует быстрому принятию решений в случае неблагоприятных воздействий на источники водоснабжения.
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.
Замечание 1
Любой водный объект, независимо от того, где он находится и какие имеет размеры, связан с окружающей средой и находится под многочисленным влиянием – это могут быть природные явления, условия формирования стока, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека и др.
Любое влияние имеет свои последствия и, прежде всего, привносит в водную среду новые вещества, не свойственные ей. Этими новыми веществами являются многочисленные загрязнители, ухудшающие качество воды.
Определение 1
Загрязнение водных ресурсо в – это физические, химические и биологические изменения свойств воды в результате сброса в них вредных веществ разного состояния.
Сброшенные вредные вещества создают большие неудобства для использования воды и наносят вред здоровью и безопасности человека, а также наносят ущерб хозяйству страны. Все объекты, сбрасывающие вредные вещества, являются источниками загрязнения .
Выделяются следующие типы загрязнения вод:
- Механическое загрязнение . Данный вид загрязнения, характерный для поверхностных загрязнений, повышает содержание в воде механических примесей.
- Химическое загрязнение . В воде содержатся токсические и нетоксические вещества органического и неорганического происхождения.
- Бактериальное и биологическое загрязнение . Вода загрязнена патогенными микроорганизмами, грибами, мелкими водорослями.
- Радиоактивное загрязнение . Наличие в поверхностных или подземных водах радиоактивных веществ.
- Тепловое загрязнение происходит в результате выпуска подогретой воды атомных и тепловых электростанций.
Самыми крупными и, пожалуй, основными источниками не только загрязнений, но и засорений водных объектов являются сточные воды промышленности, коммунального хозяйства, животноводческих комплексов, добывающих предприятий, сбросы транспорта и др.
Специалисты выделяют три группы сточных вод исходя из условий их образования:
- Сточные воды бытовые . К ним относятся стоки бань, столовых, прачечных, туалетов, воды от мытья полов. Содержание органических и минеральных веществ в них соответственно составляет $58$ % и $42$ %.
- Ливневые или атмосферные сточные воды. На промышленных предприятиях такие стоки представляют большую опасность. Ливневые стоки отличаются большой неравномерностью – один раз в году с $1$ га происходит сток $100$-$150$ л/с, а один раз в $10$ лет – $200$-$300$ л/с. Неравномерность этих стоков затрудняет как их сбор, так и очистку.
- Сточные воды промышленные . Возникают эти сточные воды при добыче и переработке сырья.
Питьевая вода
Пресные воды планеты в настоящее время имеют низкое качество и $80$ % заболеваний по данным ВОЗ , вызваны именно этим. Страны мира вплотную столкнулись с проблемой чистой воды. В $90$-е годы $XX$ века $50$ млн. американцев потребляли воду, загрязненную токсичными веществами. Около $900$ тыс. человек в США ежегодно заболевают по причине употребления некачественной воды. Чтобы соблюсти стандарты здравоохранения по питьевой воде американский конгресс утвердил создание фонда для модернизации $55$ тыс. коммунальных систем водоснабжения. Модернизация предусматривала защиту систем водоснабжения от микробиологических загрязнений, предотвращения загрязнения свинцом, нитратами и другими вредными веществами. Несмотря на то, что Россия достаточно хорошо обеспечена пресными водами, их качество оставляет желать лучшего.
Пробы российской водопроводной воды показали:
- Не соответствует санитарно-химическим нормам каждая $5$-я проба воды;
- Микробиологическим нормам не соответствует каждая $8$-я проба;
- Не соответствует рекомендуемым санитарным нормам, химическим и микробиологическим стандартам $90$ % питьевой воды в стране. Такой водой пользуются $70$ % городов и населенных пунктов.
Вредное воздействие антропогенных загрязнений коснулось практически всех источников на поверхности. Более всего от этого воздействия страдают Волга, Дон, Северная Двина, Уфа, Тобол, Томь, реки Сибири и Дальнего Востока. Все большее количество рек теряют свое питьевое значение и переходят в разряд «условно чистых » и «грязных ». Питьевая вода, которую потребляет $70$ % населения РФ, не соответствует ГОСТу . Хлор, который используется для дезинфекции воды, с одной стороны убивает инфекции, а с другой стороны, обладая канцерогенным, мутагенным эффектом, медленно, но верно убивает человека.
Как показали американские исследования , люди, постоянно потребляющие хлорированную воду, на $21$ % увеличивают вероятность рака мочевого пузыря, на $38$ % рака прямой кишки и, тем не менее, $75$ % американской воды хлорируется.
Японцы очищают воду с помощью озона , но он не обладает долговременным действием соединений хлора, поэтому перед употреблением воду надо очищать. Чтобы в какой-то степени освободиться от хлора в течение от нескольких часов и до суток, воду целесообразно отстаивать. Сырая вода может потребляться только в крайних случаях.
Горячую водопроводную воду , поскольку она химически более агрессивна, использовать для приготовления пищи нежелательно . Для очистки воды в домашних условиях используют различные бытовые фильтры , с помощью которых происходит удаление микробов, хлора и его производных, тяжелых металлов, нитратов и нитритов, пестицидов. Но, есть вторичная опасность загрязнения воды – на самом фильтре могут оседать вредные микроорганизмы.
В Америке и Японии сейчас используются электрохимические фильтры . Это российско-английский фильтр «Изумруд ». Действие фильтра основано на химической реакции, происходящей в присутствии катализатора под воздействием сильного электрического поля.
Результат впечатляет:
- Полное очищение воды от микроорганизмов;
- Очищение от органических соединений;
- От ионов тяжелых металлов;
- Снижается концентрация минеральных солей.
Замечание 2
При других способах очистки такие результаты недостижимы. К тому же эти фильтры не содержат расходуемых материалов, поэтому, как бы, вечны, но требуют электроэнергии.
Мероприятия по защите гидросферы
Чтобы защитить поверхностные воды от загрязнения, которые являются частью гидросферы, предусмотрен целый ряд мероприятий:
- Внедрение безотходных и безводных технологий;
- Создание замкнутого цикла, т.е. оборотного водоснабжения. Данный цикл заставляет сточные воды всё время находиться в обороте и попадание их в поверхностные водоёмы исключается;
- Качественная очистка сточных вод;
- Обеззараживание и очистка вод для водоснабжения.
В основном поверхностные воды загрязняются сточными водами , а это значит, что их очистка с экологической точки зрения, является очень важной.
Существуют 3 основных способа очистки сточных вод:
- Механическая очистка;
- Физико-химическая очистка;
- Биологическая очистка.
Механическая очистка предусматривает 4 процесса:
- Процеживание загрязненной воды;
- Отстаивание загрязненной воды;
- Обработка воды в поле действия центробежных сил;
- Фильтрование загрязненной воды.
Для того чтобы удалить из сточных вод крупные и волокнистые включения процеживание осуществляют в решетках и волокноуловителях. Ширина зазоров в них составляет $10$-$20$ мм.
При отстаивании происходит оседание примесей, плотность которых $p > p$ воды или их всплытие с $p фильтрования. Фильтры при этом могут быть $2$-х типов – зернистые и тканевые .
Физико-химическая очистка помогает удалить растворимые примеси, а иногда и взвешенные вещества из сточных вод.
Существует несколько способов этой очистки:
- Метод флотации . В сточную воду подаются мелкие пузырьки воздуха, которые обволакивают частицы примесей и поднимают их на поверхность, где образуется слой пены.
- Метод коагуляции . Суть этого физико-химического процесса заключается в укрупнении коллоидных и дисперсных частиц, что происходит под действием сил молекулярного притяжения.
- Реагентный метод . Сточные воды при данном методе обрабатываются реагентами, т.е. химическими веществами. Растворенные токсичные примеси вступают в химическую реакцию и образуют нетоксичные или нерастворимые осадки. Гидроксид кальция, хлорид кальция, например, применяют для очистки фторсодержащих вод. Токсичные соединения фтора, вступая в химическую реакцию, образуют плохо растворимый фторид кальция $CaF_2$, который можно удалить их воды отстаиванием.
- Метод нейтрализации является разновидностью реагентного метода.
- Метод экстракции . Примеси сточных вод перераспределяют в смеси взаимонерастворимых жидкостей. Для выделения используются фенол, жирные кислоты, цветные металлы – медь, никель, цинк, кадмий и др.
- Метод ионообменной очистки . Сточные воды пропускают через ионообменные смолы. Поскольку смолы содержат ионы, способные к обмену, то при прохождении через них происходит замена подвижных ионов смолы на ионы токсичных примесей соответствующего знака.
- Биологическая очистка . В данном случае используется способность микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические и неорганические соединения как источник питания. Данную очистку проводят в естественных условиях – поля фильтрации, например, или в специальных сооружениях искусственного типа – аэротенках – открытых резервуарах и биофильтрах. Биофильтры представляют собой специальные сооружения, которые заполняются загрузочным материалом – шлаком, щебнем, гравием и др. На поверхности этого материала из микроорганизмов происходит развитие биологической пленки.
В результате хозяйственной деятельности человека образуются большие объемы сточных вод. В зависимости от условий образования они делятся на 3 группы:
Бытовые - стоки душевых, прачечных, бань, столовых и т.д. Содержат детергенты, органические и минеральные вещества;
Промышленные – образуются в результате использования воды в технологических процессах. Состав зависит от вида производства;
Атмосферные (ливневые) – образуются при выпадении осадков, крайне неравномерны. Состав зависит от вида поверхности с которой осуществляется сток.
Сточные воды характеризуются следующими признаками:
Мутностью;
Цветностью;
Сухим остатком;
Кислотностью;
Жесткостью;
Растворимым кислородом;
Биологической потребностью в кислороде (БПК).
Как правило, сточные воды содержат мало кислорода, что приводит к гибели высших организмов и вместо окисления органических соединений в воде происходит анаэробное разложение с выделением сероводорода, углекислого газа, метана, создающих вторичное загрязнение водоема. Именно поэтому сточные воды необходимо очищать или разбавлять. Прогнозную оценку качества вод выполняют на основе расчетов смешения и разбавления сточных вод водой водного объекта.
При отведении сточных вод в водный объект производится расчет предельно допустимого сброса (ПДС) загрязняющих веществ. Расчет ПДС производится с целью обеспечения норм качества воды водного объекта в контрольном створе при сбросе загрязняющих веществ со сточными водами. Расчет выполняется с учетом фоновой концентрации загрязняющих веществ, гидрологических и гидрохимических особенностей водного объекта, а также возможной степени разбавления сточных вод и самоочищающей способности водоема (водотока). При расчетах ПДС в расчетном створе должна быть обеспечена концентрация контролируемых веществ, не превышающая нормативных требований к составу и качеству вод данного водного объекта.
Расчеты ПДС выполняются в соответствии с требованиями «Методических указаний по установлению (ПДС) предельно допустимых сбросов веществ, поступающих в водные объекты со сточными водами» (1982).
В практике расчетов широко применяется понятие кратности разбавления сточных вод. Кратность разбавления «n» является наиболее универсальной характеристикой приемника сточных вод, показывающей, во сколько раз снизится концентрация загрязняющих веществ в воде водного объекта на участке от места сброса до расчетного створа. При известном фоновом загрязнении вод водного объекта кратность разбавления определяется формулой:
| (6.5) |
где C ст - концентрация загрязняющего вещества в сточных водах, мг/л;
С е - концентрация загрязняющего вещества в воде водного объекта, мг/л;
С max - максимальная концентрация загрязняющего вещества в заданном расчетном створе, мг/л.
Очистка сточных вод обеспечивается путём внедрения ряда технических решений и мероприятий. Наиболее распространенными являются следующие: механическая очистка, физико-химическая, биологическая очистки, которые осуществляются либо отдельно, либо последовательно.
Механическая очистка сточных вод является обязательной составной частью водоочистки и предваряет другие методы очистки – это простой отстой воды, при котором происходит оседание взвешенных частиц, в том числе и вещества, находящиеся в коллоидном состоянии. Перед механической очисткой в сточные воды добавляют коагулянты (вещества, вызывающие укрупнение коллоидных частиц – сульфаты алюминия, железа III) и флокулянты (вещества, способствующие флотации, т.е. выделению частиц из смеси за счёт сил отталкивания от растворителя с последующим укрупнением – полиэтиленамин и др. высокомолекулярные вещества).
Для механической очистки сточных вод от взвешенных веществ используют:
- процеживание в вертикальных или наклонных решетках и волокноуловителях;
- отстаивание в песколовках (частицы размером более 0.25 мм), отстойниках (от нефтепродуктов и частиц более 0.1 мм) и жироуловителях веществ с плотностью меньше плотности воды;
- обработку с поле действия центробежных сил в открытых или закрытых гидроциклонах и центрифугах;
- фильтрование для очистки от тонкодисперсных примесей с малой концентрацией (зернистые и микрофильтры).
Физико-химические методы очистки основаны на физико-химических процессах, ионном обмене, на протекании химических процессов под воздействием физических явлений (электролиз, электрокоагуляция и т.д.) и включают в себя следующие методы:
- флотация – пропуск через сточные воды воздуха, пузырьки которого захватывают нефть, масла и образуют на поверхности воды легко удаляемый пенообразный слой. В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую и другие;
- нейтрализация – используют для выделения из сточных вод кислот, щелочей, солей металлов на основе кислот и щелочей. Нейтрализацию кислот осуществляют едким натром, известью, доломитом, мелом, содой и др., нейтрализацию щелочей серной, соляной, азотной и другими кислотами. Существует 3 способа нейтрализации: фильтрационный (через зернистые фильтры), водно-реагентный (добавление сухого или растворенного реагента), полусухой (перемешивание высококонцентрированных сточных вод с сухим реагентом);
- сорбция – осуществляет извлечение из сточных вод вредных растворимых и их последующую утилизацию. В качестве сорбентов используют золу, торф, шлаки, глину, активированный уголь и др.;
- ионный обмен – применяют для обессоливания и очистки сточных вод от ионов металлов и других примесей. Реализуется последовательным фильтрованием воды через катиониты и аниониты;
- электрохимическая очистка (электрохимическое окисление) осуществляется электролизом и реализуется 2 путями: окисление путем передачи электронов непосредственно на поверхность анода или через вещество-переносчик и в результате взаимодействия с сильным окислителем (активным хлором), образовавшимся в процессе электролиза;
- гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется путем пропуска воды через ацетатцеллюлозные или полиамидные фильтры, поры которых имеют размер около 1 нм и через которые свободно проходят молекулы воды и задерживаются гидратированные ионы солей и молекулы недиссоциированных соединений;
- эвапорация – заключается в обработке паром органически загрязненных сточных вод, при которой летучие примеси загрязнений переходят в паровую фазу и удаляются.
Биохимические и биологические методы основаны на том, что некоторые микроорганизмы способны использовать загрязняющие вещества как пищу, усвоив которую они очищают сточные воды от примесей, как правило, органических. Различают следующие разновидности этих методов:
- аэробная очистка представляет собой минерализацию промышленных или бытовых стоков при содействии аэробных микроорганизмов (активный ил ), которые используют загрязнители в качестве источников питания. Реализуется в аэротенках и биофильтрах;
- анаэробная очистка - разложение органических осадков до метана и углекислого газа микроорганизмами при отсутствии кислорода. Реализуется в метантенках, которые необходимо подогревать до 45-55ºC.
- обеззараживание (хлорирование, фторирование, озонирование) – заключается в удалении болезнетворных микроорганизмов.
После осуществления выше перечисленных методов может возникнуть необходимость в удалении остаточных органических веществ , которая осуществляется с помощью активированного угля. Адсобрбция активированным углем эффективна для большинства органических соединений и используется для очистки бытовых стоков, жидких отходов перегонки нефти, фенолов и других ароматических соединений.
Очищенные стоки сбрасывают в поверхностные водоемы, в которых происходит естественная доочистка сточных вод. Основными условиями спуска очищенных вод являются:
1) сохранение экосистемы водоема;
2) экологическая ценность водоема;
3) хозяйственная функция водоема: хозяйственно-питьевые нужды, культурно-бытовые нужды, нужды рыбного хозяйства (высшей, первой и второй категории).
В зависимости от вида водопользования, устанавливаются требования к качеству воды (СанПиН 4630-88 «Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами») – наиболее жесткие требования предъявляются к источникам хозяйственно-питьевого водопользования.
Несмотря на многообразие методов очистки воды, снизить антропогенную нагрузку на гидросферу можно только рациональным использованием воды. Основные направления рационального использования и охраны водных ресурсов можно объединить в следующие группы:
Совершенствование технологии основного производства
Совершенствование систем водоснабжения.
Совершенствование систем канализации и очистки сточных вод.
Разработка и внедрение методов очистки с попутной утилизацией ценных компонентов из сточных вод.
Внедрение технически обоснованных норм и нормативов водоотведения.
Внедрение инструментального контроля количества и качества сбрасываемых сточных вод.
Рассматриваемые в данном разделе методы и средства защиты гидросферы могут использоваться для очистки всех видов воды: питьевой, технической, а также производственных, бытовых и поверхностных сточных вод. Вид очищаемой воды определяет выбор схемы и конкретного технологического оборудования, используемого для очистки.
Тем не менее для очистки любого вида воды, как правило, первой стадией очистки является механическая, второй - физико-химическая и третьей - биологическая. При этом на многих стадиях физико-химической и биологической очистки воды применяют сооружения вторичной механической очистки (как правило, вторичные отстойники) для выделения из воды нерастворимых примесей, образовавшихся в процессах физико-химической или биологической очистки.
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 требуемая 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.
В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, целесообразно существующие методы классифицировать на механические, физико-химические и биологические.
К механическим видам очистки сточных вод от взвешенных веществ относятся процеживание, отстаивание, обработка 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 устраняют при использовании решеток-дробилок, которые улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их до 10 мм и менее.
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 па них слоем волокнистой массы.
Отстаивание основано на свободном оседании (всплывании) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды, которое реализуется в песколовках, отстойниках и жироуловителях.
Песколовки (рис. 5.9) используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размеров более 0,25 мм. В зависимости от направления движения сточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые.
Отстойники (рис. 5.10) 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 отстойника определяющими являются его длина / и рабочая высота Н.
Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и
Рис. 5.9.
1 - входной патрубок; 2 - корпус песколовки; 3 - шламосборник; 4 - выходной патрубок
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 кПа. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей
Рис. 5.10.
(материала, размера, формы частиц и др., а также от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона.
Открытый гидроциклон (рис. 5.11) состоит из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, патрубка 3 для отвода очищенной воды и шламоотводящей трубы 4. Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды, а также гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.
Конструктивная схема напорного гидроциклона аналогична схеме циклона для очистки газов от твердых частиц.
На рис. 5.12 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 закру
Рис. 5.11.
чивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник 7, откуда они периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в пей 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 закрученною поток;! очищаемой сточной воды.
Рис. 5.12.
При проектировании гидроциклонов расчету подлежит их производительность () при выбранных размерах а.
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. 5.13). Сточная вода но трубопроводу 4 поступает в корпус / фильтра и проходит через фильтровальную загрузку 3 из частиц мраморной крошки, шупгизита и т.п., расположенную между пористыми перегородками 2 и 5. Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме, ограничен
Рис. 5.13.
ном 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 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.
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 предназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса - 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.
Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимно нерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента). Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции К9 = сэ / си , где сэ и св - 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 бутил-ацетата Кэ 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.
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.
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 №+-форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН -или солевой форме), а также иониты смешанного действия.
В зависимости от вида и концентрации примесей в сточной воде, требуемой эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок. Для очистки сточных вод от анионов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого П-катионирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита (рис. 5.14, а). Для более глубокой очистки сточных вод, в том числе от солей, применяют одно- или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите (рис. 5.14, б).
При необходимости обеспечивать значение рН = 6,7 и очистки сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильтров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загружаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита.
Электрохимическая очистка, в частности электрохимическое окисление, осуществляется электролизом и реализуется двумя путями: окислением веществ путем передачи
Рис. 5.14.
а - одноступенчатая очистка; б - очистка с двухступенчатым анионированием; в - очистка с промежуточной дегазацией и двухступенчатым анионированием; К - катионитовый фильтр;
А - анионитовый фильтр; Д - декарбонизатор; ПЬ промежуточный бак
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 (С12, НОС1, С120, СЮ, С103), 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 (КСЫ, №СЫ) 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 СЫ - группы.
На рис. 5.15 показана технологическая схема установки для электрохимического окисления сточных вод. В ее состав входят сборный резервуар /, бак 2 для приготовления концентрированного раствора №С1, электролизер 3 с источником постоянного напряжения 7. Очищенная от цианидов сточная вода выходит по трубопроводу 4, а при необходимости се доочистки по трубопроводу 5 вновь направляется в сборный резервуар 1. Для интенсификации процесса окисления в электролизер 3 по трубопроводу 6 подают сжатый воздух.
Гиперфильтрация (обратный осмос) реализуется разделением растворов путем фильтрования их через мембраны, поры которых размером около 1 им 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 ком-
Рис. 5.15.
пактны, легко автоматизируются; фильтрат имеет высокую степень чистоты и может быть использован в оборотных системах водоснабжения, а сконцентрированные примеси сточных вод легко утилизируются или уничтожаются.
Для гиперфильтрации используют ацетатцеллюлозные, полиамидные и тому подобные полимерные мембраны с ресурсом работы до двух лет.
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 (рис. 5.16), 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 урав
Рис. 5.16.
1 - 2 - теплообменник; 3 - эвапорационная колонна; 4 - трубопровод загрязненного пара; 5 - трубопровод подачи растворителя; 6 - колонна с насадками из колен Рашига для очистки отработанного пара; 7 - вентилятор; 8 - трубопровод повторно используемого очищенного пара; 9 - трубопровод отвода загрязненного летучими примесями растворителя; 10 - трубопровод отвода очищенной сточной воды; 11 - трубопровод подачи свежего пара
нением с" / с" = у, где сп и св - концентрации примеси в парс и сточной воде, кг/м3; у - коэффициент распределения. Для аммиака, этиламина, диэтиламина, анилина и фенола, содержащихся в сточной воде, коэффициент распределения соответственно равен 13, 20, 43; 5,5 и 2.
Выпаривание, испарение и кристаллизацию используют для очистки небольших объемов сточной воды с большим содержанием летучих веществ.
Биологическую очистку применяют для выделения тонкодисперсных и растворенных органических веществ. Она основана на способности микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т.п.). Процесс реализуется в две стадии, протекающие одновременно, но с различной скоростью: адсорбция из сточных вод тонкодисперсных и растворенных примесей органических веществ и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в них биохимических процессах (окислении или восстановлении). Обе стадии реализуются как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от видов и свойств микроорганизмов. Биологическую очистку осуществляют в природных и искусственных условиях.
Сточные воды в природных условиях очищают на полях фильтрации, полях орошения и в биологических прудах . Очистку и бытовых, и производственных сточных вод на нолях фильтрации и полях орошения в настоящее время используют очень редко в связи с малой пропускной способностью единицы площади полей и непостоянством состава производственных сточных вод, а также из-за возможности попадания на поля токсичных для их микрофлоры примесей.
Биологические пруды используют для очистки и доочистки сточных вод суточным расходом не более 6000 м3. Применяют пруды с естественной и искусственной аэрацией.
Биологические фильтры широко используют для очистки и бытовых, и производственных сточных вод. В качестве фильтровального материала для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий и т.п. Существуют биофильтры с естественной подачей воздуха; их применяют для очистки сточных вод суточным расходом не более 1000 м3. Для очистки производственных сточных вод больших расходов и сильно концентрированных используют биофильтры с принудительной подачей воздуха (рис. 5.17).
Нормальный ход процесса биологической очистки сточных под устанавливается после образования на загрузочном материале биофильтра биологической пленки, микроорганизмы которой адаптировались к органическим примесям сточных вод. Период адаптации обычно составляет 2-4 недели, хотя в отдельных случаях он может достигать нескольких месяцев. Для оценки состава сточных вод в процессе биологической очистки используют биологическую потребность воды в кислороде (ВПК) - количество кислорода, необходимое для окисления всех органических примесей, содержащихся в единице объема сточной воды.
Аэротенки, используемые для очистки больших расходов сточных вод, позволяют эффективно регулировать скорость и полноту протекающих в них биохимических процессов, что особенно важно для очистки промышленных сточных вод нестабильного состава. Окислительная мощность аэротенков
Рис. 5.17.
1 - трубопровод подачи исходной сточной воды; 2 - водораспределительные устройства; трубопровод отвода очищенной сточной воды; 5 - гидравлический затвор; 6 - трубопровод подвода сжатого воздуха; 7 - корпус фильтра
составляет 0,5-1,5 кг/м3 в сутки. В зависимости от состава примесей сточных вод и требуемой эффективности очистки применяют аэротенки с дифференцируемой подачей воздуха, аэротенки-смесители с дифференцируемой подачей сточной воды и аэротенки с регенераторами активного ила.
При ВПК > 0,5 кг/м3 используют аэротенки с дифференцируемой (сосредоточенной) подачей смеси сточной воды и активного ила в начале сооружения (рис. 5.18).
Воздух, интенсифицирующий процесс окисления органических примесей, распределяется равномерно по всей длине аэротенка. Диспергирование воздуха в очищаемой сточной воде осуществляют механическими или пневматическими аэраторами. Окислительная мощность аэротенков существенным образом зависит от концентрации активного ила в сточной воде. При очистке производственных сточных вод концентрация ила обычно составляет 2-3 кг/м3 по сухому веществу.
Окситенки обеспечивают более интенсивный процесс окисления органических примесей по сравнению с аэротенками за счет подачи в них технического кислорода и повышения концентрации активного ила. Для увеличения коэффициента использования подаваемого в объем сточной воды кислорода реактор окситенка герметизируют. Очищенная от органических примесей сточная вода из реактора поступает в
Рис. 5.18.
1 - трубопровод подачи сточной воды; 2 - первичный отстойник; 3 - трубопровод подачи активного ила или повторного использования; 4 - аэротенк; 5 - трубопровод отвода отработавшего ила; 6 - трубопровод отвода очищенной сточной воды; 7 - вторичный отстойник; 8 - трубопровод подвода сжатого воздуха
илоотделитель, в котором происходит выделение из нее отработанного ила.
При проектировании окситенков необходимо предусматривать мероприятия по обеспечению их пожаровзрывобезопасности с учетом вредных и опасных факторов, имеющих место при эксплуатации систем с использованием газообразного кислорода.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Защита гидросферы
гидросфера загрязнитель экозащитный
Вода - одно из наиболее важных веществ на Земле, от которого зависит состояние животного и растительного мира. Это самая распространенная неорганическая составляющая живой материи. У человека вода составляет 63% массы тела, у грибов - 80%, у медуз - 98%, в растениях содержится до 95% воды. Семена растений, в которых содержание воды не превышает 10%, представляют собой формы замедленной жизни. Такое же явление - ангидробиоз - наблюдается у некоторых видов беспозвоночных, которые при неблагоприятных внешних условиях могут потерять большую часть воды из своих тканей и сохранить жизнеспособность.
Вода в природе находится в непрерывном круговороте - все время расходуется и возобновляется.
Роль воды
Вода играет существенную роль как в биологических процессах, так и в климатических. Вода является универсальным растворителем химических веществ. Значительная роль воды на планете обусловлена ее физическими свойствами.
Вода обладает большой теплоемкостью 4,18 Дж/г·К (теплоемкость воздуха 1,009 Дж/г·К). В природных условиях вода медленно остывает и медленно нагревается, являясь регулятором температуры на Земле.
Плотность воды максимальна при 3,98°C и составляет 1,0 г/см3. Плотность воды уменьшается как при повышении, так и при понижении температуры. Эта аномалия обусловливает возможность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время. Так как лед легче воды (его плотность ниже), он располагается на поверхности и защищает лежащие ниже слои воды от промерзания. При дальнейшем понижении температуры увеличивается толщина слоя льда, но температура воды подо льдом остается на уровне ~4°C, что позволяет водным организмам сохранять жизнь.
Основные источники загрязнения гидросферы
Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств, увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей. Подсчитано, что ежегодно в мире сбрасывается более 420 км3 сточных вод.
Основными источниками загрязнения гидросферы являются:
промышленные сточные воды;
хозяйственно-бытовые сточные воды;
дренажные воды с орошаемых земель;
сельскохозяйственные поля и крупные животноводческие комплексы;
водный транспорт.
Все загрязнители сточных вод подразделяются на три группы:
биологические загрязнители: микроорганизмы - вирусы, бактерии; растения - водоросли; дрожжи, плесневые грибки;
химические загрязнители: наиболее распространенными загрязнителями являются нефть и нефтепродукты, СПАВ, пестициды, тяжелые металлы, диоксины, фенолы, аммонийный и нитритный азот и др.;
физические загрязнители: радиоактивные элементы, взвешенные твердые частицы, шлам, песок, ил, тепло и др.
Виды загрязнения воды
Химическое загрязнение может быть органическим (фенолы, пестициды), неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (ртуть, мышьяк, кадмий, свинец), нетоксичным. Эвтрофикация - явление, связанное с поступлением в водоемы большого количества биогенных элементов (соединений азота и фосфора) в виде удобрений, моющих веществ, отходов животноводства.
В России концентрации загрязняющих веществ превышают ПДК во многих водных объектах. При осаждении на дно водоемов вредные вещества сорбируются частицами пород, окисляются - восстанавливаются, выпадают в осадок. Однако, как правило, полного самоочищения не происходит.
Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов, простейших, грибов и т.д.
Физическое загрязнение может быть радиоактивным, механическим, тепловым.
Очень опасно содержание в воде радиоактивных веществ даже в малых концентрациях. Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов и т.д. В подземные воды радиоактивные элементы попадают в результате их выпадения с осадками на поверхность земли и последующего просачивания вглубь земли, либо в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами.
Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (шлам, песок, ил и др.), которые могут значительно ухудшать органолептические показатели.
Тепловое загрязнение связано с повышением температуры природных вод в результате их смешивания с технологическими водами. Температура сточных вод ТЭС, АЭС выше температуры окружающих водоемов на 10єC. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, выделению ядовитых газов - Н2S, СН4. Происходит цветение воды, ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны.
Экозащитные мероприятия
Для защиты поверхностных вод от загрязнения предусматриваются следующие экозащитные мероприятия.
Развитие безотходных и безводных технологий, внедрение систем оборотного водоснабжения - создание замкнутого цикла использования производственных и бытовых сточных вод, когда сточные воды все время находятся в обороте, и попадание их в поверхностные водоемы исключено.
Очистка сточных вод.
Очистка и обеззараживание поверхностных вод, используемых для водоснабжения и других целей.
Главный загрязнитель поверхностных вод - сточные воды, поэтому разработка и внедрение эффективных методов очистки сточных вод является актуальной и экологически важной задачей.
Способы очистки сточных вод
Механическая очистка
Физико-химическая очистка
Биологическая очистка
Механическая очистка
Используется для удаления из сточных вод взвешенных веществ (песок, глинистые частицы, волокна и т.д.). В основе механической очистки лежат четыре процесса:
процеживание,
отстаивание,
обработка в поле действия центробежных сил,
фильтрование.
Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. Применяют для удаления из сточных вод крупных и волокнистых включений (сточные воды целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности). Ширина зазоров составляет 10-20 мм.
Отстаивание основано на свободном оседании примесей с плотностью с > с воды или всплытии примесей с с < с воды. Процесс реализуется в песколовках, отстойниках, жироуловителях.
Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 250 мкм.
Отстойники используют для очистки сточных вод от более мелких взвешенных частиц или жировых веществ, нефтепродуктов.
Очистка сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляется в гидроциклонах и центрифугах. Механизм действия аналогичен механизму действия газоочистных циклонов.
Фильтрование используют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией. В основном используется два типа фильтров: зернистые - в качестве фильтроматериала применяют кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, сульфоуголь и др.; тканевые - фильтровальные перегородки изготавливаются из хлопчатобумажных материалов, шерстяных, керамических.
Физико-химические методы очистки
Применяются для удаления из сточных вод растворимых примесей, а в ряде случаев - для удаления взвешенных веществ.
Флотация заключается в обволакивании частиц примесей (маслопродуктов, мелкодисперсных взвесей) мелкими пузырьками воздуха, подаваемого в сточную воду, и поднятии их на поверхность, где образуется слой пены. В случае электрофлотации пузырьки газа образуются в результате электролиза воды при пропускании электрического тока (водород, кислород).
Коагуляция - это физико-химический процесс укрупнения мельчайших коллоидных и дисперсных частиц под действием сил молекулярного притяжения. В качестве коагулянтов применяют сульфат алюминия, хлорид железа. Если необходимые для коагулирования ионы алюминия или железа получают электрохимическим путем (электролизом), то такой процесс называют электрокоагуляцией.
Реагентный метод заключается в том, что обработка сточных вод проводится химическими веществами - реагентами, которые, вступая в химическую реакцию с растворенными токсичными примесями, образуют нетоксичные или нерастворимые осадки. Например, для очистки фторсодержащих вод применяют гидроксид кальция, хлорид кальция. В результате химической реакции с токсичными соединениями фтора образуется плохо растворимый фторид кальция CaF2, который может быть удален из воды отстаиванием.
Нейтрализация - разновидность реагентного метода, предназначена для снижения концентрации свободных Н+ или ОН--ионов до установленных значений, соответствующих рН = 6,5-8,5. Нейтрализация кислых сточных вод осуществляется добавлением растворимых щелочей NaOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2, а щелочных - добавлением кислот (соляной, серной).
Экстракция основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимонерастворимых жидкостей (сточной воды и органической жидкости). Используется для выделения фенолов, жирных кислот, цветных металлов - меди, никеля, цинка, кадмия и др.
Ионообменная очистка заключается в пропускании сточной воды через ионообменные смолы, которые содержат подвижные и способные к обмену ионы - катионы (чаще Н+) или анионы (чаще ОН-). При прохождении сточной воды через смолы подвижные ионы смолы заменяются на ионы токсичных примесей соответствующего знака.
В последние годы активно разрабатываются новые эффективные методы очистки сточных вод:
озонирование,
мембранные процессы очистки (ультрафильтрация, электродиализ),
электроразрядные методы обработки воды,
магнитная обработка и др.
Биологическая очистка
Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические и некоторые неорганические соединения (H2S, NH3, нитриты и др.) в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. При этом органические соединения окисляются до воды и углекислого газа. Биологическую очистку ведут в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или в специальных искусственных сооружениях - аэротенках, биофильтрах.
Аэротенки - это открытые резервуары, через которые медленно протекают сточные воды, смешанные с активным илом.
Биофильтр - сооружение, заполненное загрузочным материалом (шлак, щебень, керамзит, гравий и т.п.), на поверхности которого развивается биологическая пленка из микроорганизмов.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Факторы загрязнения поверхностных вод. Основные физические, химические и биологические загрязнители воды. Естственные источники загрязнения подземных вод. Методы обеззараживания и очистки поверхностных вод, используемых для питьевого водоснабжения.
реферат , добавлен 25.04.2010
Человек и окружающая среда: история взаимодействия. Физические, химические, информационные и биологические загрязнения, нарушающие процессы круговорота и обмена веществ, их последствия. Источники загрязнения гидросферы и литосферы в Нижнем Новгороде.
реферат , добавлен 03.06.2014
Сущность понятия "самоорганизация биосферы". Экологические функции гидросферы в формировании климата и развитии жизни на Земле. Особенности биогеохимического круговорота воды в природе. Последствия загрязнения гидросферы. Способы самоочищения водоемов.
реферат , добавлен 24.12.2013
Особенности загрязнения окружающей водной среды железнодорожным транспортом. Классификация основных загрязнителей гидросферы. Физические, биологические, механические и химические методы очистки сточных вод. Описание и функциональность очистных сооружений.
реферат , добавлен 14.05.2014
Распределение вклада различных источников в загрязнение нефтью Мирового океана. Источники загрязнения гидросферы нефтяными углеводородами. Биологические и физические изменения, обусловленные загрязнением гидросферы. Токсичность отдельных фракций нефти.
презентация , добавлен 07.03.2014
Основание существования биосферы и человека на использовании воды. Химические, биологические и физические загрязнители воды. Факторы, обуславливающие процессы загрязнения поверхностных вод. Характеристика показателей качества воды, методы ее очистки.
курсовая работа , добавлен 12.12.2012
Состав гидросферы и источники её загрязнения. Неорганические и органические химические загрязнители и их негативное воздействие. Фотохимические процессы, гидролиз, окисление и восстановление химикатов, приводящие к падению устойчивости экосистем.
презентация , добавлен 05.09.2013
Снижение биосферных функций водоемов. Изменение физических и органолептических свойств воды. Загрязнение гидросферы и его основные виды. Основные источники загрязнения поверхностных и подземных вод. Истощение подземных и поверхностных вод водоемов.
контрольная работа , добавлен 09.06.2009
Роль гидросферы в природе и жизни человека. Источники загрязнения вод, влияние антропогенной деятельности на гидросферу. Глобальные и региональные экологические последствия в Мировом океане. Дефицит воды, управление водными ресурсами, их очистка и охрана.
курсовая работа , добавлен 24.05.2016
Загрязнение атмосферы. Виды загрязнения гидросферы. Загрязнение океанов и морей. Загрязнение рек и озер. Питьевая вода. Актуальность проблемы загрязнения водоемов. Спуск сточных вод в водоемы. Методы очистки сточных вод.