Инженерная экология. Часть 4. Основы экологии производства. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

А.П. БЫКОВ

ИНЖЕНЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ

Часть 4

Основы экологии производства

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2014

1

УДК 502.5 (075.8) Б 953

Рецензенты:

С.М. Коробейников, д-р физ.-мат. наук, проф.; Т.С. Селегей, канд. геогр. наук,

ведущий научный сотрудник ФГБУ «СибНИГМИ»

Работа подготовлена на кафедре безопасности труда

Быков А.П.

Б 953 Инженерная экология: Часть 4. Основы экологии производства: учеб. пособие / А.П. Быков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. – 104 с.

ISBN 978-5-7782-2476-6

Учебное пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения, изучающих дисциплины «Экология», «Экологические проблемы отрасли», «Системы защиты среды обитания», «Обеспечение экологичности предприятий автосервиса», «Экологическая экспертиза проектов».

В четвертой части учебного пособия рассмотрены вопросы охраны водных ресурсов: основные показатели и физико-химические свойства вод, основные принципы и методы очистки промышленных и бытовых сточных вод, нормирование сбросов загрязняющих веществ и микроорганизмов в водные объекты.

2

3

ное, промышленное и бытовое водоснабжение расходуется 4 тыс. км3 в год, т. е. около 4,5 % пресной воды, сконцентрированной в озерах, водохранилищах и реках. Наибольшая величина расхода пресной воды приходится на Азию (60 % общемирового расхода), примерно 15 % – на Северную Америку, 13 % – на Европу, оставшиеся 12 % – на Южную Америку и Африку.

Насельскоехозяйствовразвивающихсястранахприходитсядо80 % совокупного водопотребления. Так, чтобы вырастить 1 т пшеницы, требуется 1500 т воды, 1 т риса – 7 тыс. т воды; 1 т хлопка – 10 тыс. т воды; на производство 1 т курятины расходуется 3500...5700 т воды; а 1 т говядины – от 15 тыс. до 70 тыс. т воды.

Чрезмерное водопотребление в засушливых районах приводит к понижению уровня грунтовых вод и к экологическим проблемам. Так, в некоторых районах Индии уровень грунтовых вод падает более чем на 1 м в год, обусловливая кризисную ситуацию для сельскохозяйственного производства. А непродуманное орошение хлопковых полей в результате забора воды из р. Сырдарья привело практически к потере Аральскогоморясегоуникальнымбиоразнообразием. Предпринятыев последние годы действия приостановили катастрофу, но прежних очертаний моря и сочетания флоры и фауны добиться уже не удастся.

Очевидно, что в условиях роста населения и увеличивающихся потребностейвпродуктахпитания, процессовурбанизацииипромышленного роста конкуренция за воду в ближайшие десятилетия увеличится.

Согласно данным Международного комитета по изменению климата, в ближайшем будущем климатические контрасты будут усиливаться: изменение распределения количества осадков приведет к увеличению засух в одних уголках планеты и наводнениям – в других. Это еще более обострит проблему снабжения пресной водой в зонах пустынного климата, характеризующихся малым количеством осадков и понижающимся уровнем залегания грунтовых вод.

Основные проблемы водоснабжения:

•недостаток ресурсов в районах с высокой плотностью населения, развитой промышленностью или сельским хозяйством;

•повышенный водозабор для орошения;

•осушение болот, приводящее к смене водного баланса территории

имикроклимата;

•загрязнение поверхностных и подземных вод.

5

По прогнозам, к 2015 г. более половины населения планеты будет проживать в условиях хронической нехватки воды, а к 2025 г. ее недостаток будет испытывать уже две трети человечества. Недостаток пресной воды, в свою очередь, может спровоцировать нехватку продовольственных ресурсов.

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОД

Вода (Н2О) – это простейшее устойчивое химическое соединение водорода с кислородом (11,19 % водорода и 88,81 % кислорода по массе). При обычных условиях чистая вода – жидкость без запаха, вкуса и цвета.

Природная вода – это вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия. Природная вода, где бы она ни находилась и в каком бы агрегатном состоянии (газообразном, жидком, твердом) ни пребывала, всегда представляет собой раствор других веществ, газообразных, жидких или твердых.

Водакаждогоизприродныхводныхобъектовхарактеризуетсясвоим качеством, под которым понимают совокупность свойств, обусловливается характером и концентрацией содержащихся в ней неорганических, органических и газообразных веществ.

Состав воды водных объектов оценивают по трем группам показателей – физических, химических и бактериологических.

Физические показатели воды

Кфизическимпоказателямводыотноситсятемпература, запах, вкус, цветность, мутность и прозрачность.

Температура воды – это величина, характеризующая тепловое состояние воды.

Вводотоках и водоемах температура воды влияет на протекающие

вводных объектах физические, химические и биологические процессы, от которых в значительной мере зависят формирование химического и биологического состава воды, кислородный режим, интенсивность биологических процессов, процессов самоочищения водных объектов и т. д.

6

Запах воды вызывают летучие пахучие вещества, поступающие в воду в результате процессов жизнедеятельности водных организмов, прибиологическомразложенииорганическихвеществ, прихимическом взаимодействии содержащихся в воде компонентов, а также с промышленными, сельскохозяйственными, хозяйственно-бытовыми сточными водами.

Чистая вода бесцветна. Некоторые примеси придают воде различную окраску. Особенно характерна для природных вод желтоватая (иногда интенсивно бурая) окраска. Она возникает большей частью от наличия в воде (например, болотной) растворенных гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа [4].

Вкус воды зависит от растворенных в ней солей, кислот, щелочей, органических веществ (нефтепродукты, фенолы и т. д.) и газов как естественного, так и антропогенного происхождения. Обычно определяют вкус только питьевых вод. Различают четыре основных вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький. Вседругиевидывкусовыхощущений называют привкусами. Подземные воды имеют специфический вкус, вызванныйналичиемвнихсоединенийметалловжелеза, марганца, магния, натрия, калия, хлоридов и карбонатов [4].

Мутность воды – это свойство, обусловленное наличием в воде мельчайших взвешенных минеральных и органических частиц, которые приводят к уменьшению ее прозрачности. В гидрологии мутность воды выражается в следующих еденицах: г/м3, мг/дм3 [4].

Прозрачность воды – это свойство воды пропускать вглубь световые лучи. Прозрачность зависит от толщины слоя воды, проходимой лучами, отцветности имутности воды, т. е. отсодержанияв ней различных окрашенных минеральных и органических веществ.

Химические показатели воды

Химические показатели качества воды характеризуют ее химический состав. Важнейшие из них – водородный показатель (pН) и растворенныевводеминеральныеиорганическиевеществавионном, молекулярном, комплексном и коллоидном состоянии.

Водородный показатель (pН) – это величина, характеризующая активность или концентрацию ионов водорода в растворах и численно

7

равная отрицательному десятичному логарифму этой активности или концентрации, выраженной в моль/дм3 [4]:

рН = – lgCH+,

где: СН+ – концентрация ионов водорода.

Вводеконцентрацияионовводорода, во-первых, определяетсяэлектрической диссоциацией по уравнению

Н2О ↔ Н+ + ОН–,

Угольнаякислота(H2CO3), образующаясяприрастворениивводеатмосферного диоксида углерода (CO2), частично диссоциирует по уравнению

СО2 + Н2О ↔ Н2СО3 ↔ НСО3 + Н+↔2Н++СО32–.

Источником поступления Н+ в водные объекты служат и природные органические кислоты.

При рН = 7,0 вода характеризуется как нейтральная, при рН < 7,0 – кислая, при рН > 7,0 – щелочная.

Водородный показатель играет важную роль в определении качества воды. В речных водах его значение обычно колеблется от 6,5 до 8,5; в атмосферныхосадках– от4,6 до6,0; вболотныхводах– от5,5 до6,0; вводе океана – от 7,9 до 8,3; в шахтных и рудных водах иногда достигает 1,0, а в воде содовых озер и термальных источников – 10,0. Концентрация ионов водородаподверженасезоннымколебаниям: зимойводородныйпоказатель для большинства речных вод составляет 6,8 ... 7,4, летом 7,4 ... 8,2 [4].

Ионы в природных водах – это электрически заряженные частицы, представляющие собой атомы или группы химически связанных атомов с избытком или недостатком электронов [4]. В воде ионы образуются в результате электролитической диссоциации и обусловливают свойства электролита. Они делятся на два типа: катионы – положительно заряженные ионы и анионы – отрицательно заряженные ионы.

Процесс образования ионов в природных водах происходит, в частности, при растворении в воде электролитов (кислот, оснований и солей). В гидрохимии рассматриваются преимущественно растворы солей. Кглавнымионам, встречающимсявбольшихконцентрацияхвприродных водах и определяющим ее минерализацию и ионный состав, относятся гидрокарбонатные НСО3–, карбонатные СО32–, сульфатные SO42–, хлоридные Сl‾, ионы кальция Са2+, магния Mg2+, натрия Na+, калия К+.

8

Кроме указанных главных ионов в воде содержатся ионы биогенных веществ, маловлияющиенаминерализациюводы, ноиграющиеогромную рольвжизнедеятельностиводныхорганизмов: нитратныеNO3–, нитратные NO2–, ионыаммонияNH4+, ионыфосфорнойкислотыН2РО4– иНРО42–, ионы кремниевойкислоты HSiO3–, SiO32–, ионыжелезаFe2+, Fe3+ и др.

Минерализация природной воды – это суммарное содержание най-

денных при химическом анализе минеральных веществ. В зависимости от степени минерализации воды разделяются на пресные (с содержани-

ем солей 0,1...1,0 г/л), соленые (3...10 г/л) и рассолы (>50 г/л). В свою очередь, пресные воды подразделяются на воды малой минерализованности (до 200 мг/л), средней минерализованности (200...500 мг/л) и повышенной минерализованности (500...1000 мг/л) [4].

Жесткость воды – это свойство природной воды, которое определяется присутствием в ней растворенных солей, в основном кальция и магния, и выражается концентрацией катионов Са2+ и Mg2+. Различают общую, карбонатную и некарбонатную жесткость. Общая жесткость представляет собой сумму двух последних.

Карбонатнаяжесткостьопределяетсясодержаниемвводебикарбонатов кальция Са(НСО3)2 и магния Мg(НСО3)2. Эта жесткость почти полностью удаляется при кипячении воды, когда бикарбонаты подвергаются распаду с образованием углекислоты и выпадением в осадок карбонатов:

Са(НСО3)2 → СаСО3 ↓ + СО2 ↑ + Н2О,

Mg(НСО3)2 → MgСО3 ↓ + СО2 ↑ + Н2О.

Некарбонатная жесткость обусловливается наличием в воде хлоридных, сульфатных и нитратных солей кальция и магния и при кипячении воды не устраняется.

В РФ жесткость воды оценивается суммой миллиграмм-эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в 1 л воды (мг-экв/л). 1 мг-экв/л жесткости соответствует содержанию 20,04 мг/л ионов кальция или 12,6 мг/л ионов магния [5]. Например, при присутствии в воде 60,12 мг/л Са2+ и 18,24 мг/л Mg2+ общая жесткость ее составляет 4,5 мг-экв/л (60,12/20,04 + 18,24/12,16) [6].

По значению общей жесткости природную воду подразделяют на очень мягкую (от 0 до 1,5 мг-экв/л), мягкую ( от 1,5 до 3 мг-экв/л), среднежесткую (от 4,5 до 6,0 мг-экв/л), жесткую (от 7,0 до 9,0 мг-экв/л) и очень жесткую (свыше 9,0 мг-экв/л) [6].

9

Бытовое и производственное использование жесткой воды приводит ко многим нежелательным последствиям: образованию накипи на поверхности теплообменных аппаратов, повышенному расходу моющих веществ, плохому развариванию пищевых продуктов и т. д.

Щелочность воды – это свойство воды, обусловленное наличием в ней анионов слабыхкислот, главным образомугольной. Анионы, гидролизуясь, образуют гидроксильные ионы [4]:

СО32– + Н2О ↔ НСО3– + ОН-;

НСО3– + Н2О ↔ Н2 СО3 + ОН–.

Концентрация анионов слабых кислот (угольной НСО3–, СО32–, борнойН2ВО3– ифосфорнойНРО42–, Н2РО4–) выражаетсявмолярнойконцентрации вещества эквивалента угольной кислоты (ммоль/дм3).

Щелочность воды – важная характеристика поверхностных вод, по которой можно судить о гидрохимических и геохимических процессах: о формировании химического состава воды, об образовании осадочных пород и т. д.

Общая щелочность воды определяется суммарной концентрацией карбонатных, бикарбонатных, гидроксильных, фосфатных и других анионов слабых кислот (в мг-экв/кг). Различают гидратную, карбонатную и бикарбонатную щелочность.

Гидратная щелочность обусловлена концентрацией в воде гидроксильных анионов ОН–, карбонатная щелочность – концентрацией карбонатных анионов СО32– и бикарбонатная – анионов НСО3–.

Особое значение имеет содержание в воде гидратной щелочности, которая агрессивно воздействует на металл поверхностей нагрева.

Физико-химические свойства воды

Идеально чистая вода, получить которую даже в идеальных лабораторных условиях практически невозможно, состоит, как известно, из молекул H2O. Молекулы воды в растворе способны к ассоциации. То есть в жидком состоянии наряду с простыми молекулами Н2О присутствуют более сложные образования, соответствующие общей формуле (Н2О)n, где n = 2, 3, 4 и т. д. Таким образом, в растворе имеет место равновесие [1]:

n Н2O ↔ (Н2O)n.

10