Теоретические основы защиты окружающей среды. Охрана водного бассейна в металлургии. Учебное пособие

Санитарное состояние водных объектов и качество воды их у мест водопользования должны соответствовать нормативным показателям, т.е. ПДК.

Для веществ, загрязняющих воду водного объекта, установлено раздельное нормирование по ПДК. Принцип разделения связан с категорией водоема (водопользования) (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Принцип разделения водопользования

К качеству воды каждой категории водопользования предъявляются различные требования: в одних случаях – более, в других менее жесткие. Например, ПДК гексахлорана (ядохимикат) в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения установлена в 0,02 мг/л, а в воде рыбохозяйственных водоемов присутствие этого вещества не допускается (ПДК – отсутствие вещества), что объясняется аккумулированием его в последовательных звеньях пищевых цепей.

Некоторые вещества могут оказывать воздействие на организм только при попадании внутрь, другие опасны как при попадании внутрь, так и при контактном воздействии. Соответственно, присутствие первых ограничивает возможности использования воды для питьевых нужд (токсикологическое ограничение), а вторых – как для питьевых, так и для санитарно-бытовых целей (санитарнотоксикологическое ограничение).

Некоторые вещества вредны в сравнительно высоких концентрациях именно при контактном и органолептическом воздействии, и поэтому их ПДК в водных объектах I категории имеют более высо-

11

кие значения с общесанитарной точки зрения. Однако в водоемах II категории они вредны для ихтиофауны и здесь на первое место выдвигается их токсикологическое действие. Например, ПДК аммиака в водоемах I категории – 2 мг/л (по азоту), а в воде водоемов II категории – в 40 раз ниже (0,05 мг/л).

Существуют вещества, малоядовитые для человека, но обладающие резким запахом (нефтепродукты). В водоемах I категории преимущественное значение имеет запах, и поэтому в основу ограничения для них положены органолептические свойства воды, загрязненной нефтепродуктами (ПДК = 0,3 мг/л). Однако мясо рыб, обитающих в воде, загрязненной нефтепродуктами, обладает более резким запахом, и кроме того, углеводороды нефти токсичны для икры, мальков, личинок. Поэтому в водоемах II категории присутствие нефтепродуктов лимитируется и по токсикологическому, и по рыбохозяйственному признаку, а ПДК их снижается до 0,05 мг/л.

Таким образом, для характеристики чистоты воды водоемов наряду с ПДК используется и другой норматив: лимитирующий показатель вредности ЛПВ, отражающий приоритетность требований к качеству воды.

В водоемах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения в основу нормирования ПДК веществ положены преимущественно санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический лимитирующие признаки, а в водоемах рыбохозяйственного назначения – в основном токсикологический, и отчасти – органолептический признаки. Что касается ПДК вредных веществ в воде водных объектов, то соответственно лимитирующим показателям вредности существуют два вида ПДК: для воды водоемов I категории и для воды водоемов II категории.

Для водоемов I категории ПДК в воде установлены для 1345 веществ (1988 г.), а для водоемов II категории – для 1109 ве-

ществ (1995 г.).

Промышленное предприятие, являющееся потребителем воды и источником загрязнения водоема при сбросе в него использованной (сточной) воды, несет ответственность за превышение тех или иных показателей качества воды, а следовательно, обязано соблюдать установленные нормативы за счет выполнения мероприятий, направленных на снижение или предотвращение изменения качества воды в данном водном объекте. При этом возникает много сложностей для расчетов, планирования и проектирования мероприятий, когда показателя ПДК недостаточно для обеспечения требуемого качества воды.

12

Чтобы устранить эти сложности и гарантировать качество воды в контролируемом створе, для каждого предприятия должен устанавливаться предельно допустимый сброс (ПДС) вредных веществ.

ПДС загрязняющего вещества – масса этого вещества в отводимых в водоем сточных водах, максимально допустимая для отведения в установленном режиме в данном пункте водного объекта в единицу времени с целью обеспечения норм качества воды (ПДК) в контрольном створе.

ПДС устанавливаются исходя из ПДК вредных веществ в местах водопользования, ассимилирующей способности водоема и оптимального распределения массы сбрасываемых веществ. При поступлении в водоем нескольких веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности с учетом количества примесей, поступающих сюда же с предприятий, расположенных выше (по течению), сумма отношений фактических концентраций этих веществ С1, С2,…,Сn к их ПДК не должна превышать единицы, т.е.

Контроль и управление качеством воды в водных объектах предусматривает решение следующих задач:

1)определение требуемой степени очистки воды;

2)установление степени разбавления сточных вод для обеспечения рассеивания их примесей до неопасных концентраций в пункте водопользования;

3)прогнозирование качества воды водного объекта на заданную перспективу.

Основное уравнение смешения сточных вод с водой объекта имеет вид

где Q и q – расходы воды в водотоке и сточных вод соответственно; Ср и Сст – концентрации данного вещества в воде водного объекта (фоновая) и в сточных водах; Сп.п.в – концентрация загрязняющего вещества перед расчетным

пунктом водопользования (в общем случае на расстоянии 1 км от места забора воды);– коэффициент смешения.

13

Решая уравнение (1.1) относительно Сп.п.в, имеем:

Cп.п.в q Cст Q Сp .

q Q

Эта формула позволяет прогнозировать санитарное состояние воды водного объекта при всех заданных параметрах.

Если Сп.п.в < ПДК, то прогноз благоприятен, и, следовательно, меры, принимаемые на предприятии по очистке сточных вод, достаточны, и наоборот, если Сп.п.в > ПДК, сточные воды не могут быть сброшены в данный водный объект без дополнительной очистки.

Для определения максимальных, предельных концентраций вредных веществ (Сст.пр), которые может допустить предприятие в стоках, чтобы их сброс не вызвал превышение их концентраций в пункте водопользования, пользуются уравнением

и сброс сточных вод недопустим.

1.5. Определение необходимой степени разбавления и очистки сточных вод

Для определения необходимой степени очистки или разбавления сточных вод необходимо определить величину коэффициента смешения ( ).

Определение его производится с помощью уравнения Фролова – Родзиллера:

где e 3 L,

здесь L – расстояние, м, по фарватеру от места выпуска сточных вод до ближайшего пункта водопользования;

– коэффициент, учитывающий гидравлическое смешение, определяется по формуле

14

G 3 Eq ,

где G – отношение расстояний между местами выпуска сточных вод и водопользования по фарватеру и по прямой линии;= 1 при береговом выпуске сточных вод и 1,5 при стрежневом выпуске сточных вод;

Е – коэффициент турбулентной диффузии; для равнинных рек

Е Vср Н ср ,

200

где Vср – средняя скорость течения, м/ч; Hср – средняя глубина, м.

Окончательно кратность необходимого разбавления сточных вод:

n Q q . q

Для непроточных водоемов (по М.А. Руффелю) полное разбавление сточных вод (nполн) является результатом совместного влияния начального (nнач) разбавления за счет скорости выходящей струи и основного (nосн), осуществляющегося по мере продвижения струи:

nполн = nнач nосн.

Начальное разбавление определяется по дополнительным формулам, различным для поверхностного и глубинного выпусков, а основное – по графикам, номограммам, приводимым в специальных методических указаниях.

Степень очистки сточных вод

A(C 0 C ст.пр ) ,

С0

где С0 – концентрация примеси в водном объекте.

Необходимое качество сточных вод должно удовлетворятьусловию

Сст.пр CПДК .

n

15

1.6. Классификация сточных вод. Основные характеристики различных видов сточных вод

Решив вопрос о необходимой степени очистки, приступают к разработке мероприятий, обеспечивающих эту степень очистки. При этом первоначально выбирается метод или комплекс методов, позволяющих наиболее эффективно, с наименьшими затратами решить эту задачу.

Выбор методов и их эффективность зависят от вида сточных вод и их характеристик.

Сточными водами называются воды, использованные промышленными, коммунальными предприятиями и населением и подлежащие очистке от различных примесей.

В зависимости от условий образования сточные воды подразделяются следующим образом:

1)атмосферные (или дождевые) и талые (АСВ);

2)городские (ГСВ), включающие преимущественно бытовые, хо- зяйственно-фекальные сточные воды (БСВ);

3)сельскохозяйственные;

4)промышленные (ПСВ).

Рассмотрим характеристики каждого из этих видов сточных вод.

1.Атмосферные сточные воды – воды, несущие массы вымываемых, адсорбируемых из воздуха поллютантов (загрязнителей) промышленного происхождения. При стекании по склонам, территориям населенных пунктов и промышленных предприятий дождевые и талые сточные воды дополнительно увлекают с собой массы различных веществ, находящихся на поверхности этих территорий. Особенно опасны стоки с территорий современных городов, промышленных и сельскохозяйственных площадок, несущие нефтепродукты, механические примеси (бытовой и промышленный мусор), многие минеральные и органические вещества, в том числе фенолы, кислоты

идругие химические соединения, например тетраэтилсвинец.

2.Городские сточные воды включают преимущественно бытовые стоки, содержащие продукты жизнедеятельности человека (фекалии, соединения азота и фосфора), детергенты (СПАВы), микроорганизмы, в том числе патогенные.

3.Сельскохозяйственные сточные воды образуются при смыве с площадок и из помещений содержания животных, мест разгрузки и хранения удобрений и инсектицидов, а также при смыве этих веществ с полей атмосферными осадками и при орошении площадей.

16

4. Промышленные сточные воды образуются в технологических процессах различных отраслей промышленности, среди которых в наибольших количествах потребляют воду и отводят в водоемы сточные воды предприятия черной и цветной металлургии, горнодобывающей, химической, лесохимической, целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей промышленности.

С развитием промышленности и увеличением потребления воды растет и количество жидких отходов – сточных вод. Еще в 60-х годах прошлого века ежегодно в мире образовывалось около 700 млрд м3 сточных вод, примерно 1/3 из них – промышленные сточные воды, загрязненные различными токсичными химическими веществами. И только половина из них подвергалась очистке, остальное количество сбрасывалось в водные объекты без какой-либо очистки.

В технологических процессах различных производств образуются следующие основные виды сточных вод:

1)реакционные сточные воды, образующиеся в процессах химических реакций с выделением воды. Такие сточные воды загрязнены как исходными веществами, так и продуктами и различными полупродуктами реакций;

2)воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах (свободная

исвязанная вода) и выделяющиеся при их переработке; в результате переработки загрязняются и исходными веществами и продуктами переработки;

3)промывочные воды – от промывки сырья, продуктов, тары, оборудования;

4)маточные и отработанные водные технологические растворы;

5)водные экстрагенты и абсорбенты;

6)транспортировочные воды, образующиеся при гидротранспорте твердых отходов производства (хвосты флотации от обогащения руд, золы ТЭЦ и котельных, различные шламы);

7)охлаждающие воды, не контактирующие с технологическими продуктами и используемые в системах оборотного водоснабжения, имеют в основном тепловое загрязнение (повышенную температуру);

8)дождевые и талые воды, стекающие с территорий промышленных предприятий, загрязнены различными взвешенными и растворенными веществами – в зависимости от профиля производства;

9)хозяйственно-бытовые сточные воды – от столовых, прачечных,

душевых, туалетов, отмытьяполоввпроизводственныхпомещениях. Для защиты водного бассейна (поверхностных и подземных вод)

все перечисленные виды сточных вод перед отведением в водоемы, а

17

также в канализационные сети населенных пунктов должны подвергаться очистке от токсичных загрязняющих веществ до нормативного качества.

1.7. Классификация и принципы выбора методов очистки сточных вод

Для очистки сточных вод от различных загрязняющих примесей, в зависимости от их свойств, состояния и концентраций, применяются следующие методы:

1)механические, или физические;

2)химические;

3)физико-химические;

4)биологические или биохимические;

5)термические.

Кроме такой классификации по принципу воздействия на загрязняющие вещества все указанные методы подразделяются еще на рекуперационные и деструктивные.

Рекуперационные методы предусматривают извлечение из сточных вод и дальнейшую переработку ценных или токсичных веществ и возврат водынаповторноеиспользованиев технологическихпроцессах.

При использовании деструктивных методов токсичные вещества, загрязняющие воду, подвергаются разрушению или видоизменению путем их окисления или восстановления или другими превращениями до нетоксичных веществ. Образующиеся продукты деструкции удаляются из воды в виде газов, осадков или остаются в воде в растворенном состоянии в виде нетоксичных или малотоксичных соединений, удаляемых (при необходимости) другими методами.

Механические методы очистки сточных вод применяются для отделения нерастворимых твердых, суспендированных или эмульгированных примесей. Они заключаются в процеживании сточных вод через решетки или сетки (отделение грубодисперсных примесей), отстаивании, воздействии центробежными силами в гидроциклонах или центрифугах, фильтровании через пористые перегородки или зернистые загрузки. Для интенсификации этих процессов в воду вводятся коагулянты или флокулянты.

Химические методы применяются для удаления из воды растворенных или коллоидных примесей. Они заключаются в обработке воды различными реагентами, вступающими в химические реакции с удаляемыми веществами, в результате которых образуются неток-

18

сичные или малотоксичные продукты (окисление «активным» хлором, озоном, кислородом, пероксидом водорода; восстановление, гидролиз) или трудно растворимые соединения, выделяемые из воды в виде осадков (реакции нейтрализации, замещения и т.п.).

Физико-химические методы (коагуляция, флотация, адсорбция, ионный обмен, экстракция, кристаллизация, дистилляция, ректификация, ультрафильтрация, обратный осмос, электролиз и электродиализ, эвапорация, дезодорация и др.) применяются для удаления из воды суспендированных, эмульгированных, а также растворенных и коллоидных примесей как органических, так и минеральных.

Биологические (биохимические) методы применяются для дест-

рукции органических веществ, присутствующих в воде в коллоидном или растворенном состоянии и окисляющихся микроорганизмами до нетоксичных соединений (преимущественно до диоксида углерода и воды). При этом наиболее распространено применение аэробных процессов в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды) или при искусственной аэрации (аэротенки, биофильтры, окситенки, биосорберы и т.д.).

Анаэробные процессы используются для обезвреживания высококонцентрированных сточных вод и органических осадков, образующихся при биохимической очистке сточных вод.

Выбор метода или комплекса методов очистки того или иного вида сточных вод производится с учетом следующих факторов:

1)санитарных и технических требований, предъявляемых к качеству очищенных сточных вод, и намечаемых путей дальнейшего их использования;

2)состава и расхода сточных вод;

3)наличия на конкретном предприятии необходимых для осуществления процесса обезвреживания энергетических и материальных ресурсов (пар, топливо, сжатый воздух, электроэнергия, сорбенты, реагенты и т.д.) и соответствующих площадей;

4)экологическойитехнико-экономическойэффективностипроцесса. Необходимая степень очистки сточных вод определяется качест-

вом очищенной воды, которое должно соответствовать стандартным или специальным требованиям, устанавливаемым водохозяйственными органами контроля.

Кроме загрязненных сточных вод на промышленных предприятиях могут образовываться условно чистые воды, которые обычно после охлаждения в градирнях или других сооружениях используются в оборотных охлаждающих системах.

19

2. КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ, ИХ СВОЙСТВА, УСТОЙЧИВОСТЬ. КОАГУЛЯЦИЯ

И ФЛОКУЛЯЦИЯ КОЛЛОИДНЫХ ЧАСТИЦ

Сточные воды многих производств представляют собой многокомпонентные, полидисперсные системы, содержащие различные вещества в эмульгированном, суспензированном, коллоидном и растворенном состоянии.

Эффективность и экономичность процессов механической и фи- зико-химической очистки сточных вод во многих случаях зависят от дисперсности загрязняющих их веществ и определяются устойчивостью дисперсной системы, которая зависит от ряда факторов: степени дисперсности, характера поверхности частиц, величины кинетического потенциала, наличия в сточной воде других примесей (например: электролитов, высокомолекулярных веществ и др.).

Двухфазные микрогетерогенные системы, в которых вещества находятся в предельно высокодисперсном состоянии с размерами частиц 0,001…0,1 мкм (10–5…10–7 см), называются золями или коллоидными растворами. Золи с водной дисперсионной средой называются гидрозолями. Частицы дисперсной фазы называются мицеллами.

Мицеллы независимо друг от друга участвуют в интенсивном броуновском движении и поэтому обычно не оседают под действием силы тяжести. Мицеллы состоят из инактивного по отношению к среде ядра и защитной адсорбционной оболочки, которая включает и двойной электрический слой ионов на поверхности.

Такие дисперсные системы, как водные эмульсии, пены, суспензии, хотя и имеют многие характерные свойства коллоидных, но отличаются от последних сравнительно большой величиной частиц дисперсной фазы (10 –5…10 –3 см и более) и к гидрозолям не относятся.

Различают золи лиофильные и лиофобные. Лиофильные (гидрофильные) золи (гидрозоли мыл, красителей, ПАВ) образуются самопроизвольно и не разрушаются со временем. В гидрофильных золях дисперсная фаза на границе раздела с дисперсионной средой обладает весьма малой удельной поверхностной энергией. Частицы дисперсной фазы в гидрозолях сильно сольватированы средой. Такие золи агрегативно устойчивы и термодинамически равновесны.

Лиофобные (гидрофобные) золи, напротив, являются термодинамически равновесными, агрегативно неустойчивыми дисперсными системами, способными к постепенному разрушению вследствие са-

20