Источники и виды загрязнений гидросферы

Общее количество природной воды на Земле составляет 1386 млн.км³. Природная вода – это вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия. В основном (свыше 97,5 %) это соленые воды. Объем пресных вод – 35 млн. км³ (2,53%). В пресной воде содержание соли < 1 г/л. Однако подавляющая часть пресной воды является труднодоступной, т.к. в основном находится в ледниках и под землей. Объем потребляемой пресной воды в мире достигает 3900 км³ в год. Примерно половина этого количества пресной воды потребляется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные воды.

Из общего промышленного водопотребления около 40% - теплоэнергетика, 13% - черная металлургия, 10% - цветная металлургия, 10 % - машиностроение, 9% - хим. промышленность, 6% - целлюлозно-бумажная промышленность, 4% - пищевая и лёгкая.

Вследствие антропогенного воздействия природная вода загрязняется различными веществами, что приводит к ухудшению ее качества.

Загрязняющими веществами считается не любая примесь в воде, и не в любом количестве, а только избыточная примесь, которая превышает нормативы качества воды.

Качество воды – это совокупность физических, химических, биологических и бактериологических показателей, обуславливающих пригодность воды для использования в промышленном производстве, быту и т.п.

Следует выделить следующие тенденции в изменении качества природных вод под воздействием хозяйственной деятельности людей:

1) снижение рН пресных вод в результате их загрязнения серной и азотной кислотами из атмосферы;

2) повышение содержания ионов кальция, магния, кремния в подземных и речных водах вследствие вымывания и растворения подкисленными дождевыми водами карбонатных и других горных пород;

3) повышение содержания в природных водах ионов тяжелых ионов тяжелых металлов;

4) повышение содержания солей в поверхностных и подземных водах в результате их поступления со сточными водами, из атмосферы и за счет смыва твердых отходов, например, сульфатов и нитратов (солесодержание многих рек ежегодно повышается на 30-50 мг/л и более; из 1000 т городских отходов в грунтовые воды попадает до 8 тонн растворимых солей);

5) повышение содержания в водах органических соединений, прежде всего биологически стойких (ПАВ, пестицидов и других токсичных, канцерогенных и мутагенных веществ);

6) снижение содержания кислорода в природных водах, прежде всего в результате повышения его расхода на окислительные процессы, связанные с эвтрофикацией водоемов, с минерализацией органических соединений, а также вследствие загрязнения поверхности водоемов гидрофобными веществами и сокращения доступа кислорода из атмосферы (в отсутствие кислорода в воде развивается восстановительные процессы, в частности сульфаты восстанавливаются до сероводорода); Эвтрофикация – это повышение биологической продуктивности водных объектов в результате накопления в воде биогенных элементов под действием антропогенных или естеств. (природных) факторов (вторичное загрязнение воды).

7) снижение прозрачности воды в водоемах (в загрязненных водах размножаются вирусы и бактерии, возбудители инфекционных заболеваний);

8) потенциальная опасность загрязнения природных вод радиоактивными веществами.

Загрязнение водных систем представляет большую опасность, чем загрязнение атмосферы, по следующим причинам:

1) процессы регенерации или самоочищения протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе;

2) источники загрязнения водоемов более разнообразны;

3) естественные процессы, осуществляемые в водной среде и подвергаются действию загрязнений, более обеспечения жизни на Земле, чем те, которые протекают в атмосфере.

18. Классификация сточных вод

Сточными водами называются воды, бывшие в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшие через какую-либо загрязненную территорию. В зависимости от условий образований сточные воды делятся на хоз-бытовые или хоз-фекальные (БСВ), атмосферные (АСВ) и промышленные (ПСВ).

Хозяйственно-бытовые воды – это стоки душевых, бань, прачечных, столовых, туалетов, от мытья полов и др. Они содержат примеси, из которых примерно 58% органических веществ и 42% минеральных.

Атмосферные воды – образуются в результате выпадения атмосферных осадков и стекающие с территории предприятий. Они загрязняются органическими и минеральными веществами.

Промышленные сточные воды представляют собой жидкие стоки, которые возникают при добыче и переработке органического и неорганического сырья.

В состав промышленных сточных вод входят:

1) реакционные воды, образующиеся при протекании химических реакций (они загрязнены исходными веществами и продуктами реакций);

2) воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье и исходных продуктах и выделяющихся в процессе переработки;

3) промывные воды после промывки сырья, продуктов и оборудования;

4) водные экстракты и абсорбенты;

5) воды охлаждения;

6) другие сточные воды (воды вакуум-насосов, конденсатов смешения, гидрозолоудаления, после мытья тары, помещений)

Сточные воды делят на условно чистые, не загрязняющиеся в процессе производства и загрязненные.

Пути снижения количества загрязненных сточных вод:

1) разработка и внедрение безводных технологических процессов;

2) усовершенствование существующих процессов;

3) разработка и внедрение более совершенного оборудования;

4) внедрение аппаратов воздушного охлаждения;

повторное использование очищенных сточных вод в оборотных и замкнутых системах

19а. Нормирование качества воды в водоемах

Нормативы предельно допустимых сбросов вредных веществ в водные объекты, образующихся в процессе хозяйственной деятельности предприятия, устанавливаются для каждого выпуска сточных вод, исходя из условий недопустимости превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ в установленном контрольном створе или на участке водного объекта с учетом его целевого использования, а при превышении ПДК в сбросе - исходя из условия сохранения (не ухудшения) состава и свойств воды в водных объектах, сформировавшихся под влиянием природных факторов. При этом учитываются ассимилирующая способность водного объекта - способность водного объекта принимать определенную массу веществ в единицу времени без нарушения норм качества воды в контролируемом створе или пункте водопользования.

Для вредных веществ используются нормы качества воды - ПДК, ориентировочные допустимые уровни (ОДУ), ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ), установленные нормативными документами федерального уровня, определяющими требования к качеству воды в водных объектах, используемых для хозяйственно - питьевых, коммунально - бытовых и рыбохозяйственных целей.

В случае одновременного использования водного объекта для различных целей к составу и свойствам воды принимаются наиболее жесткие нормы из числа установленных.

Нормативы ПДС разрабатываются и утверждаются для проектируемых (реконструируемых) и действующих предприятий - водопользователей.

Нормативы качества воды водных объектов

Содержание химических веществ не должно превышать предельно допустимые концентрации и ориентировочные допустимые уровни веществ в воде водных объектов.

Фактический сброс.

Расчет фактической массы сброса в стоке производится по формуле:

М = С * Q, где:

Q – часовой расход сточных вод (м³/час),

С – фактическая концентрация загрязняющего вещества (мг/л).

Волгоградское водохранилище – рыбохозяйственный водоем высшей категории, используемый также для культурно-бытовых нужд населения.

Нормы качества поверхностных вод устанавливаются исходя из категории водопользования. В случае одновременного использования водного объекта для различных нужд населения и хозяйственной деятельности к составу и свойствам поверхностных вод предъявляются наиболее жесткие нормы из числа установленных.

Таким образом, учитывая, что требования к качеству воды объектов рыбохозяйственного назначения жёстче, чем у других категорий водопользования, расчет ПДС веществ проводится как для водоема рыбохозяйственного значения высшей категории, с учетом лимитирующего признака вредности ингредиентов.

19б. Контроль качества воды в водоемах

Расчет ПДС производится по формуле:

ПДС = Спдк * Q,

Где Q – часовой расход сточных вод (м3/час).

Расчет ПДС веществ

с одинаковым показателем вредности.

В случае присутствия в воде водного объекта двух и более веществ, характеризующихся однонаправленным механизмом токсического действия (лимитирующим показателем), в т. ч. канцерогенных, сумма отношений концентраций каждого из них к соответствующим ПДК не
должна превышать единицу:

где С1,С2,….Сn – фактическая концентрация веществ в мг/л,

ПДК 1, ПДК 2, ПДК n – допустимая концентрация в мг.л.

Если сброс сточных вод действующими предприятиями - водопользователями осуществляется с превышением нормативов ПДС, то устанавливаются лимиты сбросов загрязняющих веществ в водные объекты, исходя из необходимости поэтапного достижения нормативов ПДС загрязняющих веществ в водные объекты, и сроки достижения нормативов ПДС.

В целях достижения нормативов ПДС водопользователями разрабатываются планы водоохранных мероприятий, включающие в себя работы по восстановлению, рациональному использованию и охране водных объектов, которые должны быть обеспечены финансовыми и материальными ресурсами и получить положительное заключение государственной экологической экспертизы.

С целью соблюдения нормативов ПДС осуществляется производственный и государственный контроль за сбросом сточных вод.

При производственном контроле ведутся наблюдения за:

расходом, составом и свойством сточных вод на отдельных звеньях технологической схемы очистки и их соответствием установленным регламентам;

расходом, составом и свойством сточных вод, сбрасываемых в водные объекты, и их соответствием установленным нормативам ПДС;

расходом, составом и свойством вод в местах собственных водозаборов, фоновых и контрольных створах водных объектов, принимающих сточные воды, и соблюдением норм качества воды в контрольных створах.

Водопользователь согласовывает с территориальными органами МПР России, территориальными органами Госкомэкологии России места и периодичность отбора проб, перечень контролируемых показателей, применяемые методики отбора проб воды и анализов проб, объем и порядок представления информации о сбросах загрязняющих веществ в водные объекты.

Наряду с химическими методами контроля осуществляется контроль токсичности природных и сточных вод с использованием утвержденных в установленном порядке методов биотестирования (обнаружение токсичности).

20. Классификация методов очистки сточных вод

Методы очистки сточных вод делятся на механические, физико-химические, химические, биохимические и термические.

Механические методы применяются для очистки сточных вод от твердых и жидких взвешенных веществ, для чего используют периодические и непрерывные гидромеханические процессы процеживания, осаждения (гравитационного и центробежного), фильтрования.

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию и флокуляцию, адсорбцию, флотацию, ионный обмен, экстракцию, ректификацию, обратный осмос и ультрафильтрацию. Эти методы используют для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных веществ (твердых и жидких), а также растворимых минеральных и органических веществ.

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление. Их применяют для удаления растворимых веществ.

Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от органических и некоторых неорганических (сульфидов, нитритов и др.) веществ. Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать эти вещества для питания в процессе жизнедеятельности.

Термическая очистка производится для очистки сточных вод от преимущественно органических примесей и включает следующие методы:

1) концентрирование сточных вод (в основном выпаркой) с последующим выделением растворенных веществ; 2) жидкофазное и парофазное каталитическое окисление органических веществ (в реакторах); 3) огневое обезвреживание (в печах).

Указанные методы очистки подразделяются на рекуперационные и деструктивные. Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку всех ценных веществ. В деструктивных методах вещества, загрязняющие воды, подвергаются разрушению (например, путем окисления), а продукты разрушения удаляются из воды в виде газов или осадков.

Выбор метода зависит от: 1) санитарных и технологических требований, предъявляемых к качеству очищенных сточных вод с учетом их дальнейшего использования; 2) разметов частиц примесей; 3) физико-химических свойств и концентрации примесей; 4) расхода сточных вод; 5) эффективности очистки; 6) экономических и технических возможностей предприятия.

21. Механические методы очистки сточных вод

Механическая очистка служит для удаления грубодисперсных взвесей и обычно применяется в качестве первой ступени в общей системе очистки. Она представляет собой процеживание (решетки, сита), отстаивание (песколовки, отстойники, нефтеловушки), фильтрование (фильтры, барабанные вакуумфильтры, фильтры с зернистым слоем и др.), осаждение под действием центробежных сил (гидроциклоны, центрифуги).

Решетки служат для очистки воды от крупных плавающих примесей и представляют собой стержни круглого или прямоугольного сечения, установленные в каналах со сточной водой с зазором 5-25 мм вертикально или с небольшим наклоном (65-70⁰).

Для удаления более мелких взвешенных веществ применяют сита. Сито барабанного типа представляет собой сетчатый барабан с отверстиями 0,5-1 мм. При вращении барабана сточная вода фильтруется через его поверхность, внешнюю или внутреннюю, в зависимости от подвода воды.

Песколовки применяются для улавливания тяжелых минеральных примесей с размером частиц 0,2-0,25 мм, главным образом песка. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки.

Для выгрузки осадка применяют скребковый механизм, сгребающий осадок в приямок, или смывную гидросистему.

Нефтеловушки служат для удаления всплывающих примесей, например нефтепродуктов.

Схема горизонтальной нефтеловушки

1 – корпус; 2 – приямок; 3 – труба; 4 – перегородка; 5 – скребковый механизм

Глубина отстаиваемого слоя воды Н=1-1,5 м; ширина секций (2 шт.) В=2-3м

Отстойники являются основными сооружениями механической очистки сточных вод и в зависимости от направления движения воды подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные.

В горизонтальном отстойнике глубина H = 1,5-4 м, длна 8-12 Н, ширина 3-6 м, скорость движения воды н/б 0,01 м/с.

Вертикальный отстойник имеет следующий вид.

Радиальный отстойник имеет следующий вид

В большинстве случаев эффективность очистки в отстойниках составляет 40-60% при продолжительности отстаивания 1-1,5 часа.

Песколовки и нефтеловушки являются частным случаем отстойника.

Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруднено.

Процесс проводят при помощи пористых перегородок, которые могут быть тонкостенными, выполненными из натуральных (хлопчатобумажных), синтетических, стеклянных, керамических, металлических (нержавеющей стали, алюминия, меди, латуни) и др. материалов, а также зернистыми.

22. Физико-химические методы

К физико-химическим методам очистки сточных вод относят коагуляцию и флокуляцию, флотацию, адсорбцию, ионный обмен, обратный осмос, ультрафильтрацию и др.

Эти методы используют для удаления из сточных вод, тонкодисперсных взвешенных и растворенных примесей минеральных и органических веществ.

Коагуляция – процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты под влиянием коагулянтов, в качестве которых применяют сульфат алюминия Al₂(SO₄)₃, сульфат железа Fe₂(SO₄)₃ и др. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их.

Al₂(SO₄)₃ + H₂O → Al₂(OH)₃↓ + H₂SO₄

FeCl₃ + H₂O → Fe(OH)₃↓ + HCl

Флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в сточную воду высокомолекулярных соединений, называемых флокулянтами (например, ПАА - полиакриламид).

Адсорбция – процесс поглощения вредных примесей, находящихся в сточной воде в растворенном или во взвешенном состоянии, пористыми телами – адсорбентами, в качестве которых, как правило, применяется активированный уголь. Адсорбцию используют для обезвреживания сточных вод от фенолов, пестицидов, ПАВ, красителей, нефтепродуктов, находящихся в растворенном состоянии и др. Достоинство метода – высокая эффективность – 809-95%. Процесс адсорбционной очистки ведут при интенсивном перемешивании адсорбента с водой с последующим разделением, а также при фильтровании воды через неподвижный слой адсорбента.

Флотацию применяют для удаления из сточных вод нерастворимых диспергированных примесей, которые самопроизвольно плохо отстаиваются (нефтепродуктов, масел, жиров, ПАВ, тв.частиц и др.). Процесс флотации заключается в выделении пузырьков воздуха или другого газа в сточной воде и последующего слипания твердых или жидких частиц с пузырьками. Затем комплексы пузырек-частица поднимаются на поверхность воды, где собираются в пенный слой, который удаляется. Различают флотацию с выделением воздуха из растворов, с диспергированием воздуха с помощью перфорированных труб (диаметр отверстий 1,0-1,2 мм), пористых керамических пластин, специальных механических устройств, засасывающих воздух и др., а также электрофлотацию, химическую и биологическую флотацию.

Схема флотатора

Смысл электрофлотации, химической и биологической флотации – выделение пузырьков газа с помощью электролиза воды, химических реакций и жизнедеятельности организмов.

Ионный обмен представляет собой процесс взаимодействия раствора с твердой фазой (ионитом), выражающийся в обмене ионами между ними. Иониты, способные поглощать из растворов положительные ионы, называются катионитами, отрицательные ионы – анионитами, те и другие –амфотерные. В качестве ионитов наибольшее применение нашли ионообменные смолы.

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод тяжелых металлов (цинка, меди, хрома, никеля, свинца, ртути, кадмия, марганца и др.), умягчения, обессоливания воды, корректировки рН.

Схема ионного обмена

Обратным осомсом и ультрофильтрацией называют процессы фильтрования растворов через полупроницаемые перегородки (мембраны). Применяется обратный осмос для обессоливания, ультрафильтрацию для очистки от высокомолекулярных (органических) соединений.

Обратный осмос – d_r = 0,0001 – 0,001 мкм при р=60-100 атм.

Ультрафильтрация - d_r = 0,001 – 0,02 мкм при р=1-5 атм.

Фильтрация - d_r > 0,02 мкм

Схема процесса

23. Химические, биохимические и термические методы очистки сточных вод

Химические методы

Основаны на реакциях нейтрализации, окисления и восстановления.

Нейтрализацию сточных вод чаще всего проводят путем добавления реагентов. Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы NaOH, KOH, Ca(OH)₂, NH₄OH, Na₂CO₃, CaCO₃. Для нейтрализации щелочных сточных вод используют различные кислоты H₂SO₄, HCl.

Окисление применяют для обезвреживания сточных вод, содержащих токсичные примеси, а также для извлечения из сточных вод веществ, которые нельзя извлечь другим способом (например, цианидов, соединений мышьяка). Для очистки сточных вод окислением используют следующие окислители: кислород, озон, хлор, перманганат калия KMnO₄, бихромат калия K₂Cr₂O₇, перекись водорода H₂O₂ и др. окислители. Наиболее распространненые – хлор и хлорная известь. Их используют для очистки от сероводорода, фенолов, цианидов и др.

Восстановление применяют в тех случаях, когда сточная вода содержит легко восстановимые вещества. Эти методы широко используют для удаления из сточных вод тяжелых металлов – ртути, хрома, мышьяка и др. При обработке сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов, растворами NaOH, Ca(OH)₂, Na₂CO₃, связываются в труднорастворимые соединения

Me²⁺ + 2OH^- →Me(OH)₂↓

Химическая очистка применяется также в случаях, когда выделение загрязнителей возможно только в результате химической реакции с образованием осадков, легче удаляемых из сточных вод.

Биохимические методы

Биохимические методы применяют для очистки хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод от, главным образом, органических веществ. Они основаны на способности некоторых микроорганизмов питаться этими веществами, а также на самоочищающей способности почвы и водоемов.

В природных условиях очистка происходит на полях фильтрации, полях орошения и биологических прудах.

В искусственных условиях очистку проводят в аэротенках или биофильтрах. Аэротенками называют открытые железобетонные резервуары, в которых смесь очищаемой воды и активного ила, состоящего из живых организмов и твердого субстракта, медленно движется и непрерывно аэрируется (насыщается воздухом). Аэрация необходима для насыщения воды кислородом, потребляемым живыми организмами в процессе питания находящимися в воде веществами, и поддержания или во взвешенном состоянии. Живые организмы – гл.образом бактерии, простейшие, черви, плесневые грибы и др. Субстракт, которого в активном иле может быть до 40%, представляют собой твердую отмершую часть водорослей и различных твердых остатков. Аэротенки могут иметь 1-4 коридора глубиной 2-5 м.

В биофильтрах сточная вода фильтруются через слой загрузки, покрытый пленкой из микроорганизмов, т.е. биопленкой.

Термические методы

Термическая очистка производится для очистки сточных вод от преимущественно органических примесей и включает следующие методы: 1) жидкофазное и парофазное каталитическое окисление органических веществ (в реакторах); 2) огневое обезвреживание (в печах); 3) концентрирование сточных вод (в основном выпаркой в выпарных аппаратах) с последующим выделением растворенных веществ.