Практическая работа №2 нормирование качества и охрана поверхностных вод от загрязнения
Цель работы:
- оценить качество природных вод, определить категорию вод с учетом их природного состава;
- определить концентрацию загрязняющих веществ на расчетном расстоянии от места выпуска стоков по течению с учетом процессов смешения вод;
- освоить методики определения технологических параметров сооружений механической очистки сточных вод.
Теоретическая часть
Гидросфера – это прерывистая водная оболочка Земли, совокупность морей, океанов, континентальных вод (включая подземные) и ледяных покровов. Моря и океаны занимают около 71% земной поверхности, в них сосредоточено около 96,5% всего объема гидросферы. Суммарная площадь всех внутренних водоемов суши составляет менее 3% ее площади. На долю ледников приходится 1,6% запасов воды в гидросфере, а их площадь составляет около 10% площади континентов [15]. Важнейшее свойство гидросферы – единство всех видов природных вод (Мирового океана, вод суши, водяного пара в атмосфере, подземных вод), которое осуществляется в процессе круговорота воды в природе. Движущими силами этого глобального процесса служат поступающая на поверхность Земли тепловая энергия Солнца и сила тяжести, обеспечивающие перемещение и возобновление природных вод всех видов.
В современных условиях сильно увеличиваются потребности человека в воде на коммунально-бытовые нужды. Объем потребляемой воды для этих целей зависит от региона и уровня жизни, составляет от 3 до 700 л на одного человека [15].
Работа промышленных предприятий связана с потреблением воды. Вода используется в технологических и вспомогательных процессах (системы отопления, охлаждения, гидроэнергетика) или входит составной частью выпускаемой продукции (например, пищевая промышленность). При этом образуются сточные воды, которые подлежат сбросу в близлежащие природные водные объекты. Сточные воды можно сбрасывать в природные водные объекты, при условии соблюдения гигиенических требований применительно к воде водного объекта в зависимости от вида водопользования [2].
I вид – хозяйственно-питьевое и культурно-бытовое водопользование.
I категория – водные объекты, используемые в качестве источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности. II категория – водные объекты, используемые для купания, занятия спортом и отдыха населения.
II вид – рыбохозяйственное водопользование. Высшая категория – места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных и ценных видов рыб и других промысловых водных организмов.
I категория – водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода. II категория – водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.
Пункты наблюдения качества водоемов и водотоков подразделяются на 4 категории и включают в себя один или несколько створов – условных поперечных сечений водоема или водотока, в котором проводится комплекс работ для получения данных о качестве воды. При наблюдении качества вод всего водоема устанавливается не менее 3 створов, по возможности равномерно распределенных по его акватории с учетом береговой линии
На водоемах с интенсивным водообменом (свыше 5 усл.ед.) один створ располагают выше источника загрязнения, вне зоны его влияния, остальные створы – ниже источника загрязнения на расстоянии 0,5 км от места сброса сточных вод, непосредственно за границей зоны загрязнения.
На водоемах с умеренным (от 0,1 до 5,0) и замедленным (до 0,1) водообменом один створ располагают вне зоны влияния источника или группы источников загрязнения, второй створ совмещают с местом сброса сточных вод. Остальные створы (не менее 2) располагают параллельно второму по обе его стороны на расстоянии 0,5 км от места сброса сточных вод и непосредственно за границей зоны загрязненности.
На водотоках, на которых отсутствует организованный сброс сточных вод, один створ устанавливают в устьях загрязненных притоков, на незагрязненных участках водотоков, на предплотинных участках рек, на замыкающих участках рек, в местах пересечения Государственной границы. Два и более створов устанавливают на водотоках при наличии организованного сброса сточных вод. Один из них располагают на расстоянии 1 км выше источника загрязнения, вне зоны его влияния, другие – ниже источника загрязнения или последнего по течению из группы источников загрязнения в особо оговоренных местах. При наличии нескольких рукавов водотока створы располагают на тех из них, где расход воды невелик и нарушены нормы качества воды.
Программа наблюдений, выполняемых в конкретном пункте, определяется его категорией, створом и в зависимости от них осуществляется по обязательной или сокращенной программе гидрологических и гидрохимических исследований. На централизованных городских, районных и групповых водопроводах систематический контроль за качеством воды осуществляется в местах водозабора, в процессе ее обработки на очистных сооружениях, перед поступлением в сеть и в распределительной сети. Оценка качества питьевой воды производится на основании принятого в СССР ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая».
При сбросе сточных вод в водные объекты нормы качества воды водного объекта в расчетном створе, расположенном ниже выпуска сточных вод, должны соответствовать санитарным требованиям в зависимости от вида водопользования.
Нормы качества воды водных объектов включают [1]:
- общие требования к составу и свойствам воды, водных объектов в зависимости от вида водопользования;
- перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) нормированных веществ в воде водных объектов для различных видов водопользования.
В расчетном створе вода должна удовлетворять нормативным требованиям. В качестве норматива используется предельно допустимая концентрация (ПДК). Все вредные вещества, для которых определены ПДК, подразделены по лимитирующим показателям вредности (ЛПВ).
Принадлежность веществ к одному и тому же ЛПВ предполагает суммацию действия этих веществ на водный объект. Для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования отвечают три ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический.
Для рыбохозяйственных: санитарно-токсикологический, общесанитарный, токсикологический, рыбохозяйственный, органолептический.
Вещества, концентрация которых изменяется в воде водного объекта только путем разбавления, называются консервативными; вещества, концентрация которых изменяется как под действием разбавления, так и вследствие протекания различных химических, физико-химических и биологических процессов – неконсервативными.
Совокупность всех природных процессов в загрязненных водах, ведущих к восстановлению первоначальных свойств и состава воды, называет процессом самоочищения природных вод. Совокупность разбавления и самоочищения составляют обезвреживающую способность природного водного объекта [8].
Контроль качества воды и управление им в настоящее время рассматривается в качестве санитарной охраны водоемов вследствие значимости воды как элемента окружающей среды.
Важнейшей задачей в условиях промышленного развития и временной неизбежности попадания отходов в водные системы является установление допустимых нагрузок на природные водные объекты (ПВО) в результате водопользования [6].
Степень предельно допустимого загрязнения воды в ПВО, определяемого его физическими особенностями, а также способностью к нейтрализации примесей, рассматривается как предельно допустимая экологическая нагрузка (ПДЭН) на данный водный объект. Однако, поскольку использование воды связано с ее изъятием из мест локализации, а значит с угрозой истощения этого ПВО, разрушением его экологической системы, или использованием объекта в целях рыбной ловли, отдыха, ограничение нагрузки только с точки зрения поступления в воду промышленных отходов явно недостаточно. В этих случаях речь должна идти о разработке комплексных нормативов экологической нагрузки на природные водные объекты - ПДЭН. Допустимые экологические нагрузки на ПВО определяются как разница между установленной нормативной нагрузкой и уже существующей:
Сдопустимая = Снорм – Ссущест (1)
Если показатели состава и свойств воды в ПВО изменились под прямым или косвенным влиянием производственной деятельности и бытового использования населением и стали частично или полностью непригодны для одного из видов водопользования, то такой ПВО считается загрязненным.
Под загрязненностью понимается такое состояние ПВО в месте его использования, при котором наблюдаются отклонения от нормы в сторону увеличения тех или иных нормируемых компонентов. Загрязняющим веществом считается не любая примесь или вещество в воде, а только избыточная, которая нарушает нормативы качества воды. Критерием загрязненности воды служит ухудшение ее качества и появление вредных для человека и животных веществ.
Загрязнение поверхностных и подземных вод можно распределить на такие типы [21]:
1) механическое – повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам загрязнений;
2) химическое – наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;
3) бактериальное и биологическое – наличие в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;
4) радиоактивное – присутствие радиоактивных веществ в поверхностных или подземных водах;
5) тепловое – выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.
Санитарное состояние водных объектов и качество их воды в местах водопользования должны соответствовать нормативным качествам, т.е. ПДК.
Состав и свойства воды ПВО должны соответствовать нормативам в одном километре выше ближайшего по течению пункта водопользования, а на непроточных ПВО – в одном километре по обе стороны от пункта водопользования [21].
Загрязнение воды связано не только с присутствием в ней токсичных или дурно пахнущих веществ, но и с изменением ряда других показателей. К таким показателям относятся взвешенные вещества, плавающие примеси, запах и привкус, окраска, температура, рН, минеральный состав, растворенный кислород, биохимическая потребность в кислороде, возбудители заболеваний и ядовитые вещества.
Для каждого предприятия – водопользователя устанавливаться предельно допустимый сброс (ПДС) вредных веществ. ПДС устанавливается с учетом ПДК вредных веществ в местах водопользования, ассимилирующей способности водного объекта и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ [6].
В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.
Освобождение сточных вод от загрязнения – сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода).
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 [14].
Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Механическую очистку сточных вод можно применять как самостоятельный или предварительный метод, предшествующий химической или биологической очистке. 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. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, процеживанием, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения – нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками, и др. Для обработки осадка, полученного в отстойниках, применяют перегниватели и иловые площадки [14].
Решетки служат для грубого отделения крупноразмерных механических загрязнений от сточных вод; их устанавливают перед местными (локальными) очистными сооружениями. Решетки, очищаемые вручную, необходимо систематически очищать, не допуская, подпора, который может привести к переполнению канала. Очистку и промывку решеток горячей водой проводят несколько раз в смену. Очистку решеток вручную производят с помощью металлических граблей или вил. Наиболее эффективны в эксплуатации механизированные решетки – неподвижные решетки с подвижными граблями для снятия загрязнений. Наиболее распространены решетки, устанавливаемые под углом 60° и очищаемые граблями, которые движутся перед решеткой (рис. 1).
Рис. 1. Наклонная решетка
Песколовки применяют для осаждения в них твердых частиц минерального происхождения (песок, шлак, стекло и т. п.). Песок из песколовок направляется обычно в виде песчаной пульпы на песковые площадки, где он обезвоживается и периодически удаляется. В песколовках и решетках задерживается около 80% минеральных загрязнений сточных вод.
Отстойники используются для окончательной очистки сточных вод от грубодисперсных нерастворенных веществ и от части органических загрязнений. Основная масса загрязнений органического происхождения, находящаяся во взвешенном состоянии, выделяется из сточной жидкости в отстойниках. Вещества, удельный вес которых больше удельного веса воды, падают на дно. Вещества более легкие, чем вода (жиры, масла, нефть, смолы), всплывают на поверхность и их отделяют от сточной жидкости. В зависимости от назначения отстойники подразделяются на первичные, которые устанавливают до сооружений биологической обработки сточных вод, и вторичные, которые устанавливают после этих сооружений.
По конструктивным признакам отстойники подразделяются на горизонтальные, вертикальные и радиальные (рис 2, 3).
Рис. 2. Вертикальный отстойник с контактной камерой хлопьеобразования:
1 - отвод отстоянной воды; 2 - подача исходной воды; 3 - контактная камера хлопье-образования; 4 - верхняя решетка: 5 - плавающая загрузка; 6 - нижняя решетка; 7 - зона накопления и уплотнения осадка; 8 - удаление осадка.
Рис. 3. Горизонтальный отстойник с контактной камерой хлопьеобразования:
1 - подача исходной воды; 2 - нижняя решетка; 3 - верхняя решетка; 4 - контактная зернистая загрузка; 5 - отвод осветленной воды; 6 - система удаления осадка из отстойника; 7 - люк для ревизии трубопроводов; 8 - система удаления осадка.
С целью повышения эффективности работы отстойников их конструкции оснащают тонкослойными модулями или блоками (рис. 4, 5).
Рис. 4. Вертикальный отстойник, оборудованный тонкослойными блоками:
1 - отвод отстоянной воды; 2 - подача исходной воды; 3 - камера хлопьеобразования; 4 - наклонные тонкослойные блоки; 5 - зона распределения воды; 6 - зона накопления осадка; 7 - удаление осадка.
Рис. 5. Горизонтальный отстойник, оборудованный тонкослойными блоками:
1 - подача исходной воды; 2 - камера хлопьеобразования; 3 - тонкослойные блоки; 4 - сборные желоба; 5 - канал сбора осветленной воды; 6 - отвод осветленной воды; 7 - зона распределения воды; 8 - зона накопления осадка;
9 - удаление осадка.
Посредством гидроциклонов (рис. 6) успешно решаются следующие технологические задачи: осветление сточных вод, например стекольных заводов, автохозяйств (удаление песка, глины и других минеральных компонентов), литейных производств (удаление компонентов формовочной земли), нефтепромыслов (удаление нефтепродуктов и шлама), мясокомбинатов (удаление жира, твердой фазы минерального и органического происхождения), сточных вод свиноводческих промышленных комплексов (удаление частиц минерального происхождения) и т. д.
а
б
в
Рис. 6. Основные виды гидроциклонов:
а - без внутренних вставок; б - с конической диафрагмой; в - многоярусный гидроциклон с центральными выпусками.
Для очистки производственных сточных вод, содержащих нефтепродукты, применяют нефтеловушки. Простейшие нефтеловушки представляют собой прямоугольные, вытянутые в длину резервуары, в которых за счет разности удельных весов нефти и воды происходит их разделение (рис. 7).
Рис.7. Нефтеловушка горизонтального типа:
1 - нефтеулавливающая желоба; 2 - струенаправляющая перегородка; 3 – перфорированная система сбора осадка; 4 - мотор для движения роликов; 5 - лента со скребками для сбора нефтяной пленки; 6 - скребки.
Принцип работы нефтеловушки основан на разделении веществ с различной удельной массой. Нефть, находящаяся в воде в виде частиц различного размера, всплывает на поверхность (т.к. ее удельная масса меньше удельной массы воды), а минеральные примеси оседают на дно под действием силы тяжести. Современные конструкции нефтеловушек позволяют комбинировать их с отстойниками, песколовками, масло - и жироловушками. По принципу движения воды в сооружениях нефтеловушки делятся на горизонтальные, вертикальные и радиальные.
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%. Помимо нейтрализации сточных вод она позволяет достигнуть удаления из сточных вод твердых веществ, не поддающихся осаждению методами механической очистки; выделения органических веществ, коллоидных и даже растворимых соединений, главным образом солей металлов; обесцвечивания и обеззараживания стоков, а также устранения неприятных запахов и частичного окисления, содержащихся в сточных водах веществ при применении хлора и хлорокислых соединений. Химическую очистку применяют обычно в комбинации с механической, а в некоторых случаях и биологической очисткой. Коагуляция загрязнений сточных вод основана на нейтрализации отрицательных зарядов коллоидных частиц положительными зарядами нерастворимых гидроокисей металлов или карбонатов кальция. Вследствие нейтрализации зарядов происходит нарушение стабильности коллоидных частиц и наступает превращение золей в гели [14].
В качестве коагулянтов применяют обычно хлористые и сернокислые соединения окисного и закисного железа, сульфат алюминия (глинозем) и известь. Коагуляцию осуществляют периодическим и непрерывным способом. Периодическую коагуляцию применяют только для обработки небольших количеств сточных вод. Для обработки значительных количеств сточных вод, непрерывно поступающих с промышленных предприятий, необходима непрерывная коагуляция. После перемешивания с коагулянтами сточные воды поступают в сборник, в котором подвергаются медленному перемешиванию, так называемой флокуляции. Во время этого процесса, который длится от нескольких десятков минут до 2 ч, происходит нарастание хлопьев осадка.
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 [14].
Методические указания