Загрязнение и инженерные методы защиты гидросферы.

С развитием цивилизации человечеству требуется все больше и больше воды (рис. 4.99.).

Рис. 4.99. Рост удельного потребления воды в быту*.

 

Считается, что уровень потребления воды может характеризовать уровень технического и культурного развития общества. В среднем на бытовое потребление человеком в развитых странах приходится 220-230 л/сут, собственно на питье и приготовление пищи затрачивается не более 10% этого объема. В США тратится около 700 л/сут на жителя. Потребителями воды являются также предприятия всех отраслей экономики. В результате постоянно возрастает количество сточных вод с различными видами загрязнений. Несмотря на то, что Россия обладает одним из самых высоких водных потенциалов в мире – а каждого жителя России приходится свыше 30000 м³/год, в настоящее время около 70% рек и озер утратили свое качество как источника питьевого водоснабжения, в результате около половины населения потребляют загрязненную недоброкачественную воду.

По данным ВОЗ некачественная вода является причиной около 80% всех болезней человечества.

В соответствии с основными положениями о критериях оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия экологическую обстановку классифицируют по возрастанию степени экологического неблагополучия следующим образом: относительно удовлетворительная напряженная критическая кризисная (или зона чрезвычайной экологической ситуации); катастрофическая (или зона экологического бедствия). Структурно-логическая схема возможного изменения экологического состояния водных объектов от воздействия техногенных загрязняющих веществ характеризует виды загрязнений, пути распространения загрязнений и экологическое состояние водного объекта в зависимости от воздействия техногенной нагрузки (рис. 4.100.).

Рис.4.100. Структурно-логическая схема возможного воздействия загрязняющих веществ на водные объекты (АСВО – ассимилирующая способность водного объекта).

Сточные воды можно подразделить на четыре категории: хозяйственно-бытовые (от жилых домов, бань, прачечных, предприятий питания и т. п.); производственные загрязненные; производственные условно чистые (участвовавшие в производстве, но незагрязнившиеся) и атмосферные (ливневые, талые и от поливки улиц).

Основные загрязнения сточных вод можно классифицировать следующим образом: химические, биологические и физические загрязнения (табл. 4.35.)

Таблица 4.35.

Основные загрязнения воды

Химические загрязнения	Биологические загрязнения	Физические загрязнения
Кислоты Щелочи Нефть и нефтепродукты Пестициды Диоксины Тяжелые металлы Фенолы СПАВ	Вирусы Бактерии Болезнетворные микроорганизмы Водоросли Дрожжевые и плесневые грибки	Радиоактивные вещества Взвешенные твердые частицы Тепло Органолептические вещества (изменяющие цвет и запах) Песок Ил Шламы

.

Загрязнения в производственных сточных водах подразделяются на три группы:

- преимущественно минеральные примеси (предприятия машиностроительной, металлургической, угледобывающей промышленности, строительных изделий и материалов);

- преимущественно органические примеси (предприятия пищевой, мясомолочной, целлюлозно-бумажной, микробиологической промышленности);

- минеральные и органические примеси (предприятия нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, текстильной, фармацевтической промышленности).

В хозяйственно-бытовых сточных водах содержатся преимущественно органические загрязнения; они опасны возможным присутствием источников инфекций.

Загрязнения в сточных водах могут находиться в виде механических примесей, суспензий, коллоидов и растворов.

Анализ сточных вод, который проводится регулярно, позволяет установить: содержание растворимого кислорода; ХПК — химическую потребность в кислороде (величина, определяющая общую концентрацию органических веществ); БПК — биологическую потребность в кислороде (величина, определяющая концентрацию органических соединений, окисляемых биологическим путем); концентрацию взвешенных веществ; активную реакцию среды (рН); интенсивность окраски; степень концентрации биогенных элементов (азота, фосфора, калия и др.).

Относительная чистота сточных вод, сбрасываемых в водоемы, обеспечивается главным образом их очисткой, которая не должна допускать превышения ПДК загрязняющих веществ.

Существует два вида очистки: местная (локальная), когда очистные сооружения располагаются на предприятии, и общая, когда сточные воды от предприятия спускаются в канализацию, где они смешиваются с городскими сточными водами и очищаются перед сбросом в водоемы. В первом случае очистные сооружения, как правило, находятся в ведении предприятия, во втором — коммунальных служб. Местная очистка производится обязательно, если сточные воды предприятия могут нарушить работу городской канализации, например оказать разрушающее действие на материал труб и элементы очистных сооружений. Не допускается также спуск сточных вод предприятия в канализацию, если они содержат: более 500 мг/л взвешенных и всплывающих веществ; вещества, способные засорять сети или отлагаться на стенках труб; горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси; вредные вещества, препятствующие биологической очистке, имеющие температуру свыше 40'С. Такой очистке могут подвергаться сточные воды от одного цеха или даже от отдельных видов технологического оборудования и процессов. И только после очистки такие сточные воды могут сбрасываться в городскую сеть.

В последнее время применение местной очистки значительно расширилось. Дело в том, что при тех высоких концентрациях вредных веществ, которые могут содержаться в местных сточных водах, дешевле очищать их от вредных веществ сразу, чем после смешения и разбавления городскими сточными водами.

Принцип действия местных и общих очистных сооружений идентичен. Последние отличаются большими размерами, применением механизации для их обслуживания.

Очистка сточных вод производится механическим, химическим, физико-химическим и биологическим методами.

Наиболее распространена механическая очистка, в процессе которой из сточной жидкости удаляются загрязнения, находящиеся в нерастворенном и частично коллоидном состоянии. При этом крупные предметы задерживаются решетками, которые ставят на входе сточной жидкости в очистные сооружения. При механической очистке сточную жидкость, если это необходимо, процеживают через сито для улавливания волокнистых примесей. Песок, шлак, а также основную массу органических соединений, находящихся во взвешенном состоянии, осаждают путем резкого уменьшения скорости движения сточной жидкости в песколовках и отстойниках. Последние по конструкции подразделяются на горизонтальные, радиальные и вертикальные. В отстойниках улавливают также всплывающие примеси (нефть, смолы, жиры).

К механической очистке сточных вод относится также фильтрование с помощью песчаных и сетчатых фильтров, которые можно устанавливать, в частности, для дополнительной очистки сточной жидкости после ее отстаивания.

Чаще для местной очистки сточных вод на предприятиях сооружают песколовки и жироуловители. Песколовка (рис. 4.101) представляет собой емкость, в которой сточная жидкость движется со скоростью 0,1 — 0,3 м/с в зависимости от размеров и плотности осаждаемых частиц, а также от типа устройства. Взвешенные частицы выпадают на дно песколовки, откуда их удаляют. Освобожденная от взвешенных частиц сточная жидкость переливается с поверхности в карман выпуска, откуда она поступает в канализацию. Жироуловители (рис. 4.102) применяют, например, для улавливания жира из сточных вод мясокомбинатов, столовых, ресторанов и фабрик-кухонь с целью последующей его утилизации. Разница между песколовкой и жироуловителем состоит в том, что в последнем улавливаемая масса не осаждается, а всплывает на поверхность, откуда ее удаляют вручную или механическим способом, поэтому отверстие для выпуска очищенной от жира сточной жидкости располагают в нижней части емкости жироуловителя.

Рис.4.101. Песколовка: 1- трубопровод для подачи сточных вод; 2 – съемная плита перекрытия песколовки; 3 – люк для удаления отстоя; 4 – трубопровод для выпуска сточных вод в канализацию; 5 – карман выпуска.

Рис. 4.102. Жироуловитель: 1 - трубопровод для подачи сточных вод; 2 – съемный настил (снимается при удалении всплывшей массы); 3 – клапан для отверстия жироловки; 4 – заборное отверстие для выпуска сточных вод; 5 - трубопровод для выпуска сточных вод в канализацию.

 

Местные очистные установки на предприятиях обслуживаются, штатом самого предприятия по регламенту, специфичному для каждой установки в зависимости от принятой технологии очистки, производительности и конструкции очистных сооружений.

Особую опасность для работы местных очистных установок создают «залповые» сбросы сточных вод, существенно превышающие расчетные. Для предотвращения таких случаев при проектировании местных очистных установок предусматривают, например, накопительные и запасные емкости, способные вместить неочищенные сточные воды для последующего постепенного спуска их после соответствующей очистки и обезвреживания.

Химическая очистка сточных вод заключается в выделении загрязнений посредством химических реакций между отдельными загрязняющими веществами и реагентами. В результате реакций окисления и восстановления эти вещества переходят в новые соединения, выпадающие в осадок или выделяющиеся в виде газов. Особенно часто применяют реакцию нейтрализации, иногда в сочетании с коагуляцией.

Нейтрализация сточной жидкости происходит при ее химическом взаимодействии с веществами, придающими воде нейтральную реакцию. Для этого смешивают в нужных пропорциях кислые и щелочные сточные воды или последние — с нейтрализующим реагентом, а также фильтруют сточные воды через нейтрализующие материалы и др.

При нейтрализации сточных вод фильтрацией в качестве фильтрующего материла применяют известняк, мрамор, доломит. Этот способ используют обычно при очистке соляно-азотных и сернистых вод.

Для перемешивания кислых и щелочных сточных жидкостей устраивают резервуары - усреднители.

Физико-химическая очистка вод основана на процессах коагуляции вредных веществ, их флокуляции, экстракции, сорбции, эвапорации, кристаллизации, флотации, электролизе и др. Для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей, а также эмульгированных смол применяют коагулянты (сульфат алюминия, алюминат натрия и др.). Коагуляцию целесообразно проводить в тех случаях, когда простое отстаивание или фильтрование не дает удовлетворительных результатов.

Флокуляцию применяют для ускорения процессов коагуляции и осаждения взвешенных частиц. С этой целью широко используют органические природные и синтетические реагенты.

При экстракции (рис. 4.103) сточную жидкость смешивают с растворителем (экстрагентом), в котором основная масса улавливаемого загрязнения растворяется. Так, для улавливания фенола из сточной жидкости в нее добавляют бензол. Вследствие того, что плотность его меньше плотности сточной жидкости, при подаче снизу бензол поднимается вверх, встречает на своем пути загрязнения, соединяется с ними и отводится сверху. Очищенную от уловленных загрязнений жидкость отводят снизу.

При сорбции загрязняющие жидкость частицы оседают на поверхности сорбентов — особых веществ, например активированного угля.

 

Рис. 4.103. Схема экстрактора.

Способом электролиза и электродиализа расщепляют молекулы загрязняющих веществ и преобразуют их. Электрогидравлический эффект, возникающий при разряде токов высокого напряжения, можно использовать для разрушения сложных молекул загрязнителей (например, красителей).

Химической и физико-химической очистке подвергают в основном промышленные сточные воды.

Способ биологической очистки сточных вод применяют в случае загрязнения их органическими веществами, это в основном хозяйственно-бытовые воды. В результате сложного биохимического окисления, происходящего в присутствии кислорода, происходит минерализация органических загрязнений, а в процессе жизнедеятельности микроорганизмов (аэробных бактерий) увеличивается их масса.

Биологическую очистку вод ведут в условиях, близких к естественным (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды), либо в искусственных условиях (аэротенки, окислительные каналы с механическим орошением, биологические фильтры и т. п.).

В крупных очистных сооружениях биологическую очистку производят в аэротенках (рис. 4.104), представляющих собой емкости с очищаемой сточной водой, через которую снизу вверх пропускается мелкими пузырьками воздух (иногда кислород). В связи с увеличением массы микроорганизмов после аэротенков их выделяют с помощью активного ила обычно во вторичных отстойниках.

 

Рис.4.104. Принципиальная схема устройства аэротенка: а) - разрез; б) – план; 1- перфорированные трубы, через которые нагнетается воздух; 2 – фильтрующие пластины.

Для очистки небольших количества сточных вод от органических загрязнений применяют компактные очистные установки с пневматической и механической аэрацией (рис.4.105).

 

Рис. 4. 105. Компактная установка для очистки вод методом полного окисления: а) – разрез; б) – план; 1- пескоулавливающий лоток; 2- аэратор; 3 – электродвигатель и редуктор; 4 – аэрационная зона; 5 - отстойная зона; 6 – труба для возврата активного ила.

 

Эти установки предназначены для полной биологической очистки бытовых сточных вод и близких к ним по составу промышленных сточных вод. Установка представляет собой металлический резервуар, разделенный системой перегородок на аэрационную и отстойную зоны. На входе в установку предусмотрены пескоулавливающий лоток и решетка.

Аэрация сточных вод производится механическим аэратором роторного типа с приводом от электродвигателя с редуктором. Установка работает следующим образом. Сточная вода по присоединительному патрубку поступает в пескоулавливающий лоток и проходит через решетку, задерживающую крупные примеси и загрязнения. Из лотка сточную воду направляют в аэрационную зону, где она очищается при помощи активного ила. Для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов и развития поверхности активного ила в жидкость постоянно подают воздух механическим аэратором. Через щель сточная жидкость с активным илом поступает в отстойную зону, где активный ил отделяется. Осевший активный ил возвращают в аэрационную зону, где он снова участвует в процессе очистки.

Большую роль в сохранении гидросферы имеет рациональное водопотребление. Мировое суммарное потребление воды в ХХ в. увеличилось по сравнению с предшествующими столетиями в 10 раз, поэтому проблема его сокращения является весьма актуальной. Примерная структура потребления воды (%) выглядит в последние годы следующим образом: 60 — сельским хозяйством, 25 — промышленностью и 10 — городским хозяйством.

С учетом того, что наибольшее количество воды расходуется в сельском хозяйстве, именно там надо искать пути его сокращения. Это переход на полив с максимальным использованием распределения воды с помощью труб, применение капельного полива, развитие земледелия в закрытом грунте, гидропоники и др.

Существенно сократить расход воды можно и в промышленности, развивая оборотное водоснабжение, в частности воды, применяемой для охлаждения технологического оборудования (рис. 4.106). При этом используемая вода, поступает на охлаждение в градирни, а затем снова подается на технологическое оборудование.

В градирнях вода охлаждается в результате соприкосновения с наружным воздухом в основном за счет испарения. При этом скрытая теплота парообразования, потребная на испарение воды, забирается от нее и температура воды понижается.

 

Рис.4.106 Принципиальная схема оборотного водоснабжения, используемого для охлаждения технологического оборудования:

1- охлаждаемое технологическое оборудование;

2- трубопровод;

3 – аппарат охлаждающий воду (градирня);

4 – водопровод;

5 – центробежный насос;

6 – трубопровод подачи охлажденной воды на технологическое оборудование.

 

 

Для охлаждения в оборотном цикле применяют и теплообменные аппараты (рис.4.107), в которых теплота охлаждающей воды утилизируется и добавляется к другим теплоносителям от котельной или централизованного теплоснабжения.

 

Рис. 4.107. Схема оборотного водоснабжения с использованием тепла для горячего водоснабжения: 1 - охлаждаемое технологическое оборудование;

2 – трубопровод, подающий нагретую в технологическом оборудовании воду для охлаждения; 3 - трубопровод от источника тепла; 4 - трубопровод, подающий воду на горячее водоснабжение; 5 – теплообменник, подогревающий водопроводную воду; 6 - теплообменник, в котором происходит охлаждение нагретой в технологическом оборудовании воды; 7 – водопровод; 8 – насос; 9 – трубопровод, подающий охлажденную воду на технологическое оборудование.

 

 

Оборотную воду можно использовать в других технологических процессах. Не связанных с охлаждением, например для промывки сырья, полуфабрикатов и др. При этом вода, подвергается очистке (процеживанию, отстаиванию и пр.), а затем вновь подается на промывку (рис.4.108). Расход воды при оборотном водоснабжении можно уменьшить в 20 раз и более.

Рис. 4.108. Схема оборотного водоснабжения для мойки полуфабрикатов: 1- мойка на оборотной воде; 2 – лоток с промываемым материалом; 3 – водопровод; 4 – мойка на водопроводной воде; 5 – лоток промытого материала; 6 – аппарат для очистки оборотной воды; 7 – трубопровод загрязненной воды; 8 – насос; 9 – трубопровод подачи очищенной воды.

 

Особое внимание уделяется подготовке качественной питьевой воды на предприятии.. Требования к качеству питьевой воды определяются СанПиН 2.1.4.1074 — 01. Качество питьевой воды зависит от источника водоснабжения — городской водопровод, открытый водоем, артезианская скважина. Качество водопроводной воды может быть неудовлетворительным по причине плохой водоподготовки, изношенности водопроводных труб. Подземные воды из артезианских скважин могут также не удовлетворять требованиям к питьевой воде, например, содержать много железа и т. д.

Во всех случаях несоответствия качества питьевой воды нормативам она должна дополнительно очищаться и подготавливаться до требований СанПиН 2.1.4.1074 — 01.

Конструкция и тип установок или устройств для подготовки питьевой воды определяется составом загрязнения источника воды и объемом используемой в сутки воды.

Водоподготовка для снабжения питьевой водой отдельных зданий, рабочих поселков, предприятий может осуществляться в универсальных модульных компактных системах, серийно выпускаемых промышленностью и позволяющих получать питьевую воду высокого качества из любых подземных и открытых водоемов. Установки для подготовки питьевой воды используют методы, аналогичные методам применяемым при очистке сточных вод. Например, в модульных фильтровальных установках серии УПВ очистка питьевой воды осуществляется следующим образом: исходная вода обеззараживается и последовательно проходит пять ступеней очистки — аэрацию, реагентную обработку, осветление, фильтрование и окончательную доочистку на активных углях. Такая комплексная очистка исходной воды гарантирует высокую степень очистки от всех видов загрязнений — взвесей, микроорганизмов, химических веществ (аммиака, марганца, железа, солей тяжелых металлов, фенолов, хлорорганических и канцерогенных соединений). Установки обеспечивают производительность от 5 до 100 м'/ч. В зависимости от состава исходной воды часть ступеней очистки может быть исключена.