Инженерные способы защиты окружающей среды. Ч.1. Учебное пособие

3.Радиоактивное загрязнение наносит огромный вред даже при малых концентрациях радиоактивных веществ. Наиболее опасными являются «долгоживущие» радиоактивные элементы (стронций–90, уран, радий–226, цезий и др.)

4.Механическое загрязнение выражается в попадании в воду механических примесей (песок, шлам, ил). Механические примеси серьёзно ухудшают органолептические характеристики воды. Под органолептическими свойствами воды понимают совокупность элементов, воспринимаемых рецепторами человека (запах, вкус и т. д.).

Поверхностные воды подвергаются ещё засорению твёрдыми отходами, остатками лесосплава, что негативно сказывается на состоянии экосистем. Древесное волокно само по себе не ядовито, но, попадая на жабры рыб и фильтрующие органы других гидробионтов, приводит к их гибели.

5.Тепловое загрязнение характеризуется повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми технологическими водами. Повышение температуры в водоёме приводит к снижению количества кислорода, нарушению экологического равновесия, к бурному размножению болезнетворных микроорганизмов и вирусов.

В соответствии с СанПиН 2.1.5.980–00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» летняя температура воды в результате сброса сточных вод не должна повышаться более чем на 3 °С по сравнению со среднеме-

сячной температурой воды самого жаркого месяца года за последние 10 лет. Тепловая нагрузка на водоём не должна быть больше, чем 12 – 17 кДж/м3.

Основными источниками загрязнения поверхностных вод являются: 1) сброс в водоёмы неочищенных сточных вод; 2) смыв ядохимикатов ливневыми осадками; 3) дымовые и газовые выбросы; 4) утечка нефти и нефтепродуктов.

Сточные воды представляют собой воды, отводимые после использования в бытовой и производственной деятельности людей.

Загрязнение сточными водами в результате промышленного производства, минеральными и органическими удобрениями в результате сельскохозяйственного производства, а также загрязнение коммунально-бытовыми стоками вызывает эвтрофикацию водоёмов. Эвтрофикация – это обогащение водоёмов питательными веществами, приводящее к чрезмерному развитию цианобактерий и водорослей. Повышение концентрации органических веществ вызывает нарушение экологического равновесия в водоёме. Вначале в таком водоёме повышается количество цианобактерий. С увеличением первичной продукции возрастает количество ракообразных, рыб и других консументов. Затем происходит отмирание большого количества организмов. На разложение их остатков расходуются все запасы кислорода, содержащегося в воде, и накапливается сероводород. В результате этого водоём может стать непригодным для существования организмов.

Сточные воды тепловой электростанции содержат органические вещества, серную кислоту, хлориды, фосфаты, взвешенные частицы. Кроме того, они могут быть загрязнены ванадием, никелем, фтором, фенолами, нефтепродукта-

31

ми. Попадание этих веществ в водоём ведёт к нарушению процессов самоочищения водоёмов.

Помимо химического загрязнения в результате действия энергетических установок в биосферу поступает и тепловое загрязнение. Тепловые электростанции вырабатывают энергию при помощи турбин, приводимых в движение нагретым паром. В процессе работы турбин нужно охлаждать водой отработанный пар, поэтому энергетические станции непрерывно сбрасывают воду, подогретую приблизительно на 8 – 12 С. В результате повышения температуры в водоёме интенсифицируются процессы эвтрофикации, снижается способность кислорода растворяться в воде, ускоряются химические и биологические процессы, протекающие в ней. Оценку органического загрязнения воды осуществляют косвенным путём – по количеству кислорода, необходимого для окисления органических примесей в одном литре воды. Чем больше для этого нужно кислорода, тем грязнее вода. Показатель БПК отражает биологическую потребность в кислороде за определённое время (БПК5 – за 5 суток, БПК20 – за 20 суток).

Огромную опасность представляют дымовые и газовые выбросы, оседающие из атмосферы на водную поверхность.

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами вызывает появление нефтяных пятен, что затрудняет процессы фотосинтеза в воде из-за прекращения доступа солнечных лучей. Капля легкой фракции нефти, растекаясь по водной поверхности, образует пятно диаметром 30 – 150 см. Средние фракции нефти отравляют животных, обитающих в толще вод, а тяжёлые фракции оседают на дно, поражая представителей фауны бентоса. От подвесного лодочного мотора при работе 190 часов, что составляет среднее время работы за навигацию, может поступать в воду около 10 кг нефтепродуктов.

Строительство и эксплуатация гидросооружений оказывает огромное воздействие на окружающую среду. Одной из серьёзных экологических проблем гидроэнергетики является отчуждение значительных площадей плодородных пойменных земель под водохранилища. Это вызывает многочисленные проблемы, связанные с переселением людей из зоны затопления, естественные экосистемы в данной местности разрушаются. Значительные территории, прилегающие к водохранилищам, подвергаются подтоплению в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли, как правило, заболачиваются. Одним из эффективных способов снижения затопления территорий является увеличение количества ГЭС в каскаде с уменьшением на каждой ступени напора и, следовательно, зеркала водохранилища.

Исчезновение естественных экосистем происходит также в результате разрушения почв водой при формировании береговой линии (абразия).

Водохранилища постоянно подвергаются тепловому загрязнению. Происходит нарушение путей миграции рыб и их нерестилищ. После строительства на Волге каскада ГЭС, значение этой реки как нерестилища осетровых Каспия значительно снизилось. В водохранилищах задерживается значительная часть питательных веществ, приносимых реками. Это интенсифицирует процессы эвтрофикации водоёма. Таким образом, строительство водохранилищ вызывает серьёзные нарушения гидрологического режима рек и характерных для них экосистем.

32

Загрязнение подземных вод может происходить следующими путями: при просачивании промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ, отстойников и др., по затрубному пространству неисправных скважин, через поглощающие скважины, карстовые воронки и т. д. Загрязнение подземных вод негативно отражается на экологическом состоянии поверхностных вод, почв и других компонентов природной среды.

Истощение вод представляет собой недопустимое сокращение их запасов в пределах определённой территории (для подземных вод) или уменьшение минимально допустимого стока (для поверхностных вод). Интенсивное использование подземных вод в районах водозаборов и мощный отток воды из шахт, карьеров приводит к изменению взаимосвязи поверхностных и подземных вод, к ухудшению речного стока, к прекращению деятельности многих родников, ручьёв и малых рек. В связи с этим гибнут влаголюбивые растения. К истощению подземных вод также ведёт неконтролируемый поток артезианских вод, истекающий из скважин. Нерациональное хозяйственное использование водных ресурсов и прилегающих земельных угодий может вызвать истощение поверхностных вод.

ЛЕКЦИЯ 5

ЗАЩИТА ГИДРОСФЕРЫ

Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения вредными веществами предусматривает комплекс мер:

1)разработку соответствующих законодательных актов;

2)организацию мониторинга водных объектов;

3)охрану поверхностных и подземных вод, включая очистку промышленных и бытовых стоков;

4)подготовку воды, используемой для питьевых и хозяйственных целей;

5)государственный контроль за использованием и охраной водных ре-

сурсов.

Общая характеристика сточных вод

По происхождению сточные воды подразделяются на несколько групп:

1)хозяйственно-бытовые;

2)промышленные;

3)поверхностный сток предприятий и населённых пунктов;

4)сельскохозяйственные;

5)рудничные и шахтные воды.

Каждая группа имеет свой специфический состав, в котором преобладает определённая ассоциация загрязняющих веществ.

Хозяйственно-бытовые воды содержат большое количество органических и минеральных веществ в растворённом и взвешенном состоянии. Они образуются в жилых и общественных зданиях, на предприятиях, при приготовлении

33

пищи, после санитарных уборок, стирок и т. п. Подсчитано, что от одного жителя в сутки поступает в систему водоотведения загрязнений: взвешенных веществ – 65 г; органических в неосветлённой жидкости – 70, в осветлённой – 40; азота аммонийного – 8, фосфатов – 3,3, в т. ч. от моющих веществ – 1,6; хлори-

дов – 9; ПАВ – 2,5 г.

Рис. 2. Схема образования сточных вод в процессе материального производства

Среди всех видов загрязнённых водоёмов наибольшее вредное воздействие вызывают промышленные сточные воды. Схема образования сточных вод представлена на рис. 2. Составители этой схемы (С.В. Яковлев, А.К. Стрелков, А.А. Мазо, 1998 г.) подчеркивают, что все процессы переработки и отходов непременно требуют участия энергии, производство которой в современной тепло- и электроэнергетике принципиально не может быть безотходным, так как горение есть необратимый процесс.

Промышленные сточные воды отличаются большим разнообразием состава и концентрацией загрязняющих веществ, определяемых характером производства, а также системой водоснабжения и водоотведения.

На промышленных предприятиях до 90 % воды расходуется на охлаждение продуктов или аппаратов в технологических процессах, и сточная вода имеет лишь тепловое загрязнение (I категория). II категория устанавливается, когда воды служат в качестве поглощающих и транспортирующих нераствори-

34

мые дисперсные примеси и частично растворимые соли, которыми и загрязняются. Воды III категории аналогичны по происхождению II, но дополнительно нагреваются при контакте с продуктами. Воды IV категории являются непосредственно реагентами и загрязнены всеми компонентами технологического процесса.

Сточные воды предприятий по составу подразделяются на 3 вида:

– производственные – использованные или сопутствующие технологическому процессу, которые в свою очередь можно разделить на загрязнённые и нормативно чистые;

–бытовые – от санитарных узлов и пищеблоков, душевых установок;

–атмосферные – дождевые, талые, к ним можно отнести и поверхностные после полива территорий.

Характер загрязнения производственных сточных вод в основном определяется профилем предприятия, составом перерабатываемых материалов, сырья и видом выпускаемой продукции.

Все многообразие производственных сточных вод по характеру основных загрязнений можно отнести к 3 группам:

–содержащие минеральные примеси (металлургия, машиностроение, производство строительных материалов, минеральных кислот, удобрений и т. д.);

–содержащие органические примеси (мясная, рыбная, консервная, пищевая промышленность и т. д.);

–содержащие органоминеральные примеси (нефтедобывающие, нефтеперерабатывающие, текстильные и др. предприятия).

Поверхностный сток промышленных предприятий и насёленных пунктов формируется за счёт дождевых, талых и поливомоечных вод. К основным факторам, определяющим его объём, относятся: 1) интенсивность выпадения атмосферных осадков и их продолжительность; 2) общая площадь городской территории, характер её застройки; 3) рельеф местности.

Концентрация загрязняющих веществ в поверхностном стоке колеблется

вшироких пределах и зависит от отраслевой принадлежности предприятий. В целом преобладают взвешенные частицы (130 – 11300 мг/л), органические вещества, нефтепродукты, биогенные элементы, тяжёлые металлы.

Загрязнённость сточных вод органическими веществами, как известно, характеризуется тремя показателями: БПК, ХПК, ООУ.

БПК – биохимическая потребность в кислороде – опосредованный по-

казатель содержания органических веществ – характеризует необходимое количество кислорода для микробного окисления биологически окисленных органических веществ.

Различают БПКПОЛН , БПК20 , БПК10 , БПК5 , соответственно обозначающие, сколько кислорода израсходовано на полное окисление органических ве-

ществ в течение 20, 10 и 5 суток.

ХПК – химическая потребность в кислороде – также опосредованный показатель – характеризует необходимое количество кислорода для химического окисления всех органических веществ, а заодно и восстановленных неорганических (аммонийный азот, сульфиды, сульфиты т. д.).

35

ООУ – общее содержание органического углерода, характеризует сум-

марную концентрацию органических веществ.

Если в одной и той же пробе определить эти характеристики, то они выстроятся в убывающий ряд: ХПК > ООУ > БПК.

Способность сточных вод к биохимической очистке характеризуется биохимическим показателем Б, т. е. отношением БПКП/ ХПК. По биохимическому показателю и токсичности промстоки подразделяются на 4 группы:

1)Б > 0,2: к ним относятся сточные воды пищевой, нефтехимической и других отраслей промышленности, органические загрязнения которых не токсичны для микробных ценозов;

2)0,02 < Б < 0,1: промстоки коксохимических, азотнотуковых, содовых и некоторых других производств. Эти воды после предварительной механической очистки могут быть направлены на биохимическое окисление;

3)0,001 < Б < 0,01: к этой группе принадлежат промстоки процессов сульфирования, хлорирования, масел и ПАВ, сернокислотного производства, чёрной металлургии, тяжёлого машиностроения и др. После предварительной очистки на локальных очистных сооружениях данные стоки могут быть направлены на биохимическое окисление;

4)Б < 001: промстоки этой группы в основном загрязнены минеральными (дисперсными) веществами и подлежат преимущественно механической очистке.

Основные пути и методы очистки сточных вод

Различают два основных пути очистки сточных вод: разбавление и очистка их от загрязнений. Разбавление не ликвидирует воздействия сточных вод, а лишь ослабляет его на локальном участке водоёма. Основной путь – очистка сточных вод от загрязнений.

36

вод на механическую очистку их могут направлять в специальные устройства – усреднители. Последние либо интенсивно перемешивают отдельные потоки, либо дифференцируют поток сточных вод.

Количество производственных сточных вод определяется в зависимости от производительности предприятия по укрупненным нормам водопотребления и водоотведения для различных отраслей промышленности.

Методы механической очистки

Этого метода достаточно только при промышленном оборотном водоснабжении отдельных производств. В основном он служит лишь для подготовки сточных вод к обработке другими методами. При этом загрязнённые воды осветляются на 30 – 60 %, что существенно облегчает дальнейшие стадии очистки.

Механическая очистка применяется для выделения из сточных вод нерастворённых минеральных и органических примесей, для чего используют гидромеханические процессы (периодические и непрерывные) процеживания и отстаивания (гравитационное и центробежное), а также фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени очистки.

Процеживание и отстаивание. Процеживание производится через решётки или сита в зависимости от величины и гидравлических свойств выделяемых частиц. Решётки бывают подвижные и неподвижные. При очистке малых

исредних количеств сточных вод используют неподвижные решётки.

Взависимости от способа очистки решёток от налипших загрязнений различают простые решётки (очистка ручным способом) и механические (очистка при помощи различных приспособлений). Для извлечения из сточных вод ценных продуктов, находящихся в нерастворённом состоянии, используются сита барабанные и дисковые.

Для улавливания из сточных вод примесей минерального происхождения, главным образом песка геометрической крупности 0,15 мм и выше, применяют песколовки, которые по направлению движения воды подразделяются на горизонтальные, вертикальные и с вращательным движением воды.

Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием сил тяжести частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения их вместе с водой в резервуаре оседают на дно. В соответствии с закономерностями гидравлики потока песчинки уносятся вместе с водой только при определённой скорости течения. При снижении этой скорости крупицы песка оседают на дно резервуара, а вода течёт дальше.

Песколовки бывают горизонтальные, в которых вода движется в горизонтальном направлении, вертикальные, в которых вода движется вертикально вверх и круглые с винтовым поступательно-вращательным движением воды.

Впоследних песколовках происходят процессы, аналогичные явлениям, наблюдаемым в чайной чашке. При перемешивании налитого в чашку чая чаинки собираются в центре чашки. При круговом движении воды в круглой песколовке

38

крупные частицы песка аналогичным образом собираются в её центре. Через устроенное в центре песколовки отверстие они попадают в специальную камеру.

При механической очистке из производственных сточных вод путём процеживания, отстаивания и фильтрования удаляется до 90 % нерастворимых механических примесей различного характера (песок, глинистые частицы, окалина и другие), а из бытовых – до 60 %.

В целях очистки сточных вод от нефтепродуктов также широко применяется метод отстаивания, который в данном случае основан на способности самопроизвольного разделения воды и нефтепродуктов. Выделение нефтепродуктов производится в нефтеловушках. Грязная вода подаётся в приёмную камеру и, пройдя под первой перегородкой, попадает в отстойную камеру, где и происходит процесс разделения воды и нефтепродуктов. Очищенная вода выводится из нефтеловушки, а нефтепродукты образуют плёнку на поверхности воды и удаляются по перфорированным нефтесборным трубам. Подобным образом устроены жироловушки, маслоловушки и смололовушки, использующие принцип разности плотности воды и загрязнений, более лёгких (например, масло), чем вода.

Для задержания оседающих и плавающих примесей применяют отстойники, которые по направлению движения воды делятся на горизонтальные и вертикальные. К отстойникам с горизонтальным движением воды относятся также радиальные. Основная масса взвешенных веществ (40 – 60%) выпадает в осадок в течение 1,5 ч отстаивания. Вертикальные отстойники диаметром 4,5 – 9 м и высотой отстойной части 3 м применяют при расходе сточных вод до 10 тыс. м3 в сутки. При больших расходах используют горизонтальные или радиальные отстойники. Эффективность отстойников можно повысить увеличением скорости осаждения частиц путём их укрупнения коагуляцией и флокуляцией.

Фильтрование – удаление взвешенного вещества из воды путём пропускания её через слой пористого материала или через сетки с изменяющимся размером отверстий. С помощью этого метода очищают сточные воды, содержащие тонкодисперсные примеси в небольшой концентрации. Его применяют также после физико-химических и биологических методов очистки, поскольку некоторые из них сопровождаются выделением в очищаемую жидкость механических загрязнений. В основном распространены сетчатые фильтры и фильтры с зернистой загрузкой. К сетчатым фильтрам относятся барабанные сетки и микрофильтры. Зернистые фильтры бывают с нисходящими (сверху вниз) и восходящим (снизу вверх) потоками. Фильтры с нисходящим потоком могут иметь однослойную и многослойную загрузку. Для стабильной и эффективной очистки применяют двухступенчатое фильтрование воды. При этом на первой ступени фильтрации движение воды осуществляется снизу вверх, а на второй ступени – сверху вниз.

Удаление взвешенных примесей под действием центробежных сил. С

этой целью применяют гидроциклоны, которые относятся к сооружениям гра- витационно-отстойного типа с вращательным движением в рабочей зоне, создаваемым тангенциальным подводом осветляемой воды к цилиндрическому корпусу.

39

Используются открытые и напорные гидроциклоны. Открытые гидроциклоны, по производительности существенно превосходящие отстойники, применяют для выделения из сточных вод оседающих и всплывающих веществ.

Напорные гидроциклоны, изготавливаемые из нержавеющей стали, применяют для выделения из сточных вод примесей минерального происхождения, плотность которых значительно отличается от плотности воды.

Преимущество гидроциклонов заключается в высокой удельной производительности, сравнительно низких капитальных затратах на строительство, компактности и возможности автоматизации их работы. В то же время недостатком гидроциклонов, в частности, напорных является большой расход электроэнергии и быстрый износ стенок в связи с абразивностью извлекаемых веществ.

Для повышения производительности гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно. Такие агре-

гаты называют мультигидроциклонами.

Химические методы очистки

Эти методы применяют для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения, а иногда и для дополнительной очистки сточных вод до или после биологической очистки. Наиболее часто с помощью химической очистки удаляют ионы тяжёлых металлов. Основными приёмами химических методов очистки сточных вод являются нейтрализация, окисление – восстановление и осаждение малорастворимых соединений.

Нейтрализация применяется для обработки производственных сточных вод, содержащих щёлочи и кислоты. Предварительная нейтрализация указанных вод является обязательной процедурой перед сбросом их в водоём.

Рис. 4. Нейтрализатор сточных вод

40