Источники загрязнения внутренних водоемов

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в  процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость  ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых  земель, улучшение культурно-бытовых  условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения  водой.

Потребности в воде огромны и  ежегодно возрастают. Ежегодный расход воды на земном шаре по всем видам водоснабжения  составляет 3300-3500 км³. При этом 70% всего водопотребления используется в сельском хозяйстве.

Много воды потребляют химическая и  целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому  увеличению потребности в воде. Значительное кол-во воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также  на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования  для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все  более возрастающие потребности  промышленности и сельского хозяйства  в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном этапе определяются такие направления рационального  использования водных ресурсов: более  полное использование и расширенное  воспроизводство ресурсов пресных  вод; разработка новых технологических  процессов, позволяющих предотвратить  загрязнение водоемов и свести к  минимуму потребление свежей воды.

1. Источники загрязнения  внутренних водоемов

Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или  могут создать неудобства, делая  воду данных водоемов опасной для  использования, нанося ущерб народному  хозяйству, здоровью и безопасности населения. Загрязнение поверхностных  и подземных вод можно распределить на такие типы:

механическое - повышение содержания механических примесей, свойственное в основном поверхностным видам  загрязнений;

химическое наличие в воде органических и неорганических веществ токсического и нетоксического действия;

бактериальное и биологическое - наличие  в воде разнообразных патогенных микроорганизмов, грибов и мелких водорослей;

радиоактивное - присутствие радиоактивных  веществ в поверхностных или  подземных водах;

тепловое - выпуск в водоемы подогретых вод тепловых и атомных ЭС.

Основными источниками загрязнения  и засорения водоемов является недостаточно очищенные сточные воды промышленных и коммунальных предприятий, крупных  животноводческих комплексов, отходы производства при разработке рудных ископаемых; воды шахт, рудников, обработке  и сплаве лесоматериалов; сбросы водного  и железнодорожного транспорта; отходы первичной обработки льна, пестициды  и т.д. Загрязняющие вещества, попадая  в природные водоемы, приводят к  качественным изменениям воды, которые  в основном проявляются в изменении  физических свойств воды, в частности, появление неприятных запахов, привкусов  и т.д.  В изменении химического  состава воды, в частности, появление  в ней вредных веществ, в наличии  плавающих веществ на поверхности  воды и откладывании их на дне водоемов.

2. Состав сточных  вод и их классификация

Водоотводящие системы и  сооружения -  это  один  из  видов  инженерногооборудования  и благоустройства населенных пунктов, жилых,  общественных  и производственных   зданий,    обеспечивающих    необходимые    санитарно-гигиенические  условия  труда,  быта  и   отдыха   населения.   Системы  водоотведения  и  очистки  состоят  из  комплекса  оборудования,  сетей  и сооружений, предназначенных  для приема и удаления по трубопроводам  бытовых производственных и атмосферных  сточных вод,  а  также  для  их  очистки  и обезвреживания перед сбросом в водоем или  утилизацией.

Объектами водоотведения  являются здания различного назначения, а также вновь строящиеся,  существующие  и  реконструируемые  города,  поселки, промышленные предприятия, санитарно-курортные комплексы и  т.п.

Сточные воды - это воды, использованные на бытовые,  производственные или другие нужды  и  загрязненные  различными  примесями,  изменившими  их первоначальный химический состав и физические свойства,  а  также  воды, стекающие с территории  населенных  пунктов  и  промышленных  предприятий  в результате выпадения атмосферных осадков или поливки улиц.

В  зависимости  от  происхождения   вида   и   состава   сточные   воды

подразделяются на три  основные категории:  бытовые,  производственные,

атмосферные.

Бытовые сточные воды (от туалетных комнат, душевых, кухонь,  бань,

прачечных, столовых, больниц;  они  поступают  от  жилых  и  общественных

зданий, а также от бытовых  помещений) образуются в результате практической деятельности и жизнедеятельности  людей. Концентрацию  загрязняющих  веществ бытовых сточных  вод  определяется  исходя  из  удельного  водоотведения  на одного жителя.

При  сбросе  бытовых  сточных  вод промышленными предприятиями  в  канализацию  населённого  пункта  количество загрязняющих  веществ  от  эксплуатационного  персонала   дополнительно   не учитывается.

В  сточных  водах  содержатся  примеси  минерального  и   органического происхождения. Можно принять что минеральные загрязнения в бытовых  сточных водах в виде нерастворенного вещества - 5 % , суспензии - 5 % ,  коллоиды  - 2 % и растворимые вещества - 30 % . Для органических  веществ  эти  проценты соответственно следующие : нерастворимые -  15  %  ,  суспензии  -  15  %  , коллоиды - 8%  и растворимые - 20 % .

Минеральные соединения  представлены  солями  аммония,  фосфатами, хлоридами, гидрокарбонатами и другими соединениями. Бытовые  сточные  воды имеют обычно слабощелочную реакцию  среды  (рН=7,2  -  7,8).  Органические вещества бытовых сточных вод можно разделить на две группы : безазотистые  и азотосодержащие вещества. Основная часть безазотистых органических  веществ представлена углеводами и жирами . Азотосодержащие  органические  соединения представлены белками и  продуктами  их  гидролиза.  Особую  форму  примеси бытовых   сточных   вод   представляют   микроорганизмы.   Иногда   могут присутствовать и болезнетворные формы микроорганизмов (бактерии и вирусы) .

Состав  производственных  сточных  вод   (воды,  использованные   в технологических процессах, не отвечающие более требованиям, предъявляемым к их качеству; к этой  категории  относят также  воды,  откачиваемые  на поверхность земли при  добыче  полезных  ископаемых)  зависит  от  характера производственного  процесса  и  отличается   большим   многообразием.   В зависимости от состава  примесей  и  специфичности  их  действия  на  водные объекты сточные воды могут быть разделены на следующие группы: воды,  содержащие  неорганические  примеси  со  специфичными  токсичными свойствами.  Сюда  входят  стоки  металлургии,  гальванических  цехов, предприятия, машиностроительной, рудо- и угледобывающей  промышленности, заводы  по  производству  кислот,  строительных  изделий  и  материалов, минеральных удобрений и  другие.  Они  могут  вызвать  изменение  рН  воды водоёмов. Соли тяжёлых металлов являются токсичными по отношению  к  водным организмам .

Воды, в которых неорганические примеси не обладают токсичным  действием. К этой группе относятся сточные  воды рудообогатительных фабрик,  цементных  заводов и других. Примеси такого типа находятся во взвешенном  состоянии. Для водоёма особой опасности  эти воды не представляют.

Воды, содержащие нетоксичные  органические вещества. Сюда  входят  сточные воды в основном  предприятий  пищевой  промышленности (мясной,  рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-бумажной, микробиологической,  химической промышленности, заводы по производству каучука, пластмасс  и другие).  При попадании  их  в  водоем  возрастает  окисляемость,   БПК,   снижается концентрация растворённого кислорода .

Воды,  содержащие  органические  вещества  со  специфическими  токсичными свойствами.  К  этой  группе  относятся  сточные  воды   нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей,   текстильной,   легкой,    фармацевтической промышленности; заводы по  производству  сахара,  консервов,  продуктов органического синтеза  и другие) .

Кроме вышеуказанных групп  загрязненных  производственных  сточных  вод имеет место сброс  нагретых  вод  в  водоем,  что  является  причиной  так называемых  тепловых  загрязнений.  Производственные  сточные  воды  могут различаться  по концентрации загрязняющих веществ, по степени  агрессивности и т. д.

Состав производственных сточных вод колеблется в значительных  пределах, что вызывает необходимость  тщательного  обоснования  выбора  надежного  и эффективного  метода  очистки  в  каждом  конкретном  случае. 

Получение расчетных  параметров и технологических регламентов  обработки сточных вод  и осадка  требуют  весьма   продолжительных   научных   исследований,   как   в лабораторных,   так   и   полупроизводственных   условиях.   Количество производственных    сточных    вод    определяется    в    зависимости    от производительности  предприятия  по  укрупненным  нормам  водопотребления  и водоотведения  для различных отраслей промышленности.

Норма  водопотребления - это целесообразное количество воды,  необходимого  для  производственного  процесса, установленная  на  основании  научно  обоснованного  расчета  или передового опыта. В укрупненную  норму водопотребления  входят  все  расходы воды на предприятии. Нормы расхода производственных сточных  вод  применяют

при проектировании  вновь  строящихся  и  реконструкции  действующих  систем водоотведения  промышленных предприятий. Укрупненные  нормы  позволяют  дать оценку рациональности использования воды на любом действующем  предприятии .

Степень загрязнённости атмосферных  вод (дождевые и талые воды отводятся  вместе с водами от полива улиц, фонтанов  и  дренажей)  зависит  от  многих факторов, в том числе от общей  санитарной обстановки населённого  пункта .

Принятая технология сухой  уборки  улиц  не  обеспечивает  полного  удаления загрязнений. Мусор  с проезжей части дорог содержит значительное  количество органики,   биогенов,   нефтепродуктов   солей   тяжёлых   металлов.

Загрязнённость дождевого  стока зависит от его расхода.  При  расходе  менее 25 л/с га  сточные воды  практически не  смывают загрязнений и поэтому загрязнённость их минимальна.  По  мере  увеличения  расхода  стока  в  нём растут  концентрации  взвешенных  веществ,  фосфора  и  азота,  достигая максимума непосредственно пред пиком дождя.  Основная  часть загрязнённых дождевых вод поступает в канализацию в начале дождя . Максимальная  величина БПК воды наблюдается в летние месяцы, а осенью  они  снижаются  почти  в  2 раза . Для биогенных веществ характерен  пик  ранней  весной  и  второй  пик наблюдается осенью после листопада.

Качество и состав поверхностного стока с городских  территорий  зависят от целого  ряда  трудно  учитываемых  и  трудно  прогнозируемых  факторов.

Большое  разнообразие  местных  условий   делает   практически  невозможным получение  усреднённых показателей качества поверхностного стока  в  целом.

В практике используется также  понятие городские сточные воды,  которые представляют собой смесь бытовых и производственных сточных вод. Бытовые, производственные и атмосферные сточные воды отводятся как совместно, так  и раздельно.  Наиболее  широкое  распространение  получили  общесплавные   и раздельные  системы  водоотведения.  При  общесплавной  системе  все   три категории сточных вод отводятся по  одной  общей  сети  труб  и  каналов  за пределы городской территории на очистные  сооружения.  Раздельные  системы состоят из нескольких сетей труб и каналов:  по  одной  из  них  отводятся дождевые и незагрязненные производственные сточные воды, а  по  другой  или по нескольким сетям - бытовые и загрязненные производственные сточные воды.

3. Методы очистки сточных  вод

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.

Очистка сточных вод - обработка  сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. 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.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных  вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные  частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками,  а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. 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.

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%. 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.

Среди методов очистки сточных  вод большую роль должен сыграть  биологический метод, основанный на использовании закономерностей  биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических  устройств по очистке сточных  вод: биофильтры, биологические пруды  и аэротенки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной  пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим  началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке  сточных вод принимают участие  все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком  подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются  в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной  воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные потребляя, бактерии  омолаживают бактериальную  массу ила.

Сточные воды перед биологической  очисткой подвергают механической, а  после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также  другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.) Биологический  метод дает большие результаты при  очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при  очистке отходов предприятий  нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.

Какую бы схему очистки не выбрало  предприятие, первой стадией очистки  сточных вод является удаление взвешенных частиц. Оборудование, с помощью  которого этот процесс, возможно, осуществить  мы  и рассмотрим в данной работе.

4. Удаление взвешенных частиц  из сточных вод

Промышленные и бытовые  сточные воды содержат взвешенные частицы растворимых и нерастворимых веществ. Взвешенные примеси подразделяются на твердые и жидкие, образуют с водой дисперсную систему. В зависимости от размера частиц дисперсные системы делят на три группы: 1) грубодисперсные системы с частицами размером более 0,1 мкм (суспензии и эмульсии); 2) коллоидные системы с частицами размером от 0,1 мкм—1 нм; 3) истинные растворы, имеющие частицы, размеры которых соответствуют размерам отдельных молекул или ионов.

Для удаления взвешенных частиц из сточных вод используют гидромеханические процессы (периодические  и непрерывные) процеживания, отстаивания (гравитационное и центробежное), фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, физико-химических свойств и концентрации взвешенных частиц, расхода сточных вод и необходимой степени   очистки.

4.1. Усреднители. Фракционаторы

Для обеспечения  нормальной работы очистных сооружений усредняют расход сточной воды или  концентрации веществ, находящихся в ней. Иногда усреднение осуществляют по двум показателям одновременно. Исключение пиковых расходов воды, поступающей на очистку, позволяет более экономично и надежно проводить процесс.

Усреднение  проводят в контактных и проточных  усреднителях. Контактные усреднители  используют при небольших расходах сточной воды, в периодических  процессах и для обеспечения  высоких степеней выравнивания концентраций. В большинстве случаев применяют проточные усреднители, которые представляют собой многокоридорные (многоходовые) резервуары или емкости, снабженные перемешивающими устройствами. Многокоридорные усреднители могут быть прямоугольные (рис. 1) и круглые (рис. 2). Усреднение в них достигается смешением струй сточной воды разной концентрации. Усреднение расхода воды достигается также при перекачке ее насосами. В этом случае усреднитель представляет собой простую емкость. Перемешивание жидкости может быть обеспечено и механическими мешалками или барботажем воздуха (рис. 3).

Для разделения взвешенных частиц на фракции могут быть использованы фракционаторы, основной частью которых является вертикальная сетка, разделяющая емкость на две части (рис. 1.1). Диаметр отверстий сетки 60—100 мкм. Сточная вода через сопло поступает внутрь фракционатора и делится на грубую и тонкую фракции. При разделении 50—80% взвешенных частиц остается в грубой фракции.

     Рис. 1.1 Фракциоиатор: 1- корпус; 2 — сопло;

                3 — сетка

4.2. Решетки. Барабанные сетки и микрофильтры

Решетки применяют для улавливания из сточных вод крупных, нерастворенных, плавающих загрязнений. Попадание таких отходов в последующие очистные сооружения может привести к засорению труб и каналов, поломке движущихся частей оборудования, т. е. к нарушению нормальной работы. Решетки изготавливают из круглых и прямоугольных стержней. Зазоры между ними равны 16—19 мм.

Решетки подразделяют на подвижные и неподвижные; с  механической или ручной очисткой; устанавливаемые вертикально или наклонно (как при самотечном, так и при напорном поступлении сточных вод).

Решетки, требующие  ручной очистки, устанавливают в  случае, если количество загрязнений  не превышает 0,1 м³/сут. При большем количестве загрязнений устанавливают решетки с механическими граблями. Уловленные на решетках загрязнения измельчают в специальных дробилках и возвращают в поток воды перед решетками. Решетки размещают в отдельных помещениях, снабженных грузоподъемными приспособлениями. Расчетную температуру в здании с решетками принимают равной 16 °С, а кратность обмена воздуха — 5.

Для задержания и измельчения загрязнений непосредственно в потоке сточной воды без извлечения их на поверхность применяют решетки-дробилки (типа РД).

Решетка-дробилка состоит из щелевого барабана с трепальными гребнями и приводного механизма. Сточная вода поступает на вращающийся барабан. Мелкие фракции загрязнений вместе с потоком воды проходят через щели внутри барабана, а крупные задерживаются в нем и измельчаются. Измельченные отбросы с водой также поступают внутрь барабана и затем выходят из решетки-дробилки. Такая конструкция является компактной, а процесс можно полностью автоматизировать.

Кроме комбинированных  решеток-дробилок типа РД промышленность выпускает круглые решетки-дробилки КРД; радиальные — РРД, вертикальные — ВРД.

Барабанные  сетки и микрофильтры используют для задержания грубодисперсных примесей в процессах процеживания сточных вод, содержащих не более 300 мг/л взвешенных частиц.

Основной  частью этих сооружений является вращающийся  барабан, обтянутый   сеткой.   Размер ячеек барабанных сеток 0,3—0,8 мм, а микрофильтров 40—70 мкм. Барабан погружен в воду на глубину 0,6—0,85 диаметра и вращается в камере со скоростью 0,1—0,5 м/с. Сточная вода поступает внутрь барабана и процеживается через сетчатую поверхность со скоростью 40—50 м³/(м² • ч). Задерживаемые сеткой примеси смываются с нее промывной водой под давлением 0,15—0,2 МПа и удаляются вместе с ней. Расход промывной воды составляет 1—2% от количества очищенной воды. Эффективность очистки воды на барабанных сетках 40—45%, а на микрофильтрах — 40—60%.

4.3. Песколовки

Основным  параметром, на основании которого рассчитывают размеры отстойной  аппаратуры, является скорость осаждения  взвешенных твердых или жидких частиц (гидравлическая крупность) wq.

Как правило, сточные воды, содержащие твердые  примеси, имеют частицы различных  форм и размеров. Такие воды представляют собой полидисперсные гетерогенные агрегативно-неустойчивые системы. В процессе осаждения размер, плотность и форма частиц, а также физические свойства системы изменяются. Все это усложняет установление действительных закономерностей процесса осаждения.

Свойства  сточных вод отличаются от свойств  чистой воды (р_в, ц_в). Сточные воды имеют более высокую плотность и большую вязкость.

При отстаивании  сточных вод наблюдается стесненное осаждение, которое сопровождается столкновением частиц, трением между ними и изменением скоростей как больших, так и мелких частиц. Скорость стесненного осаждения меньше скорости свободного осаждения вследствие возникновения восходящего потока жидкости и большей вязкости среды.

Скорость  осаждения полидисперсной системы  непрерывно изменяется во времени. Эта скорость, как правило, определяется экспериментально.

Песколовки предназначены для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей (главным образом песка); обычно улавливаются частицы размером 0,2—0,26 мм. Сооружают песколовки из сборных железобетонных элементов стандартных размеров.

В системах очистки наибольшее применение нашли  песколовки с горизонтальным прямолинейным движением воды, горизонтальные с круговым движением воды, круглой формы с тангенциальным подводом воды и аэрируемые. Конструкцию сооружения выбирают в зависимости от количества сточных вод и концентрации твердых примесей.

Горизонтальные  песколовки — это удлиненные прямоугольные в плане сооружения с прямолинейным движением воды (рис. 4). Для ориентировочных расчетов принимают глубину песколовки Н — 0,25—1  м,  соотношение ширины и глубины В/Н= 1:2.

Осаждение песка  из сточных вод в песколовках с некоторым допущением можно отнести к свободному осаждению частиц в ламинарном режиме

Среднюю скорость движения воды в расчетах следует  принимать и = 0,3 м/с, диаметр частиц песка 0,2—0,25 мм, продолжительность пребывания воды в песколовке 30 с.

Для поддержания  в песколовках постоянной скорости сточной воды на выходе из песколовки устанавливают водослив с широким порогом.

Объем приямков принимают равным не более двух суточных объемов выпадающего песка. Угол наклона стенок приямка 60°. Песок  удаляют из приямков один раз в  смену.

Песколовки  с круговым движением воды являются разновидностью горизонтальных песколовок (рис. 5). Сточная вода подводится к ним и отводится из них по лоткам. Эти песколовки применяют при расходах воды до 7000 м /сут. Длину песколовок принимают по средней линии кругового лотка.

Тангенциальные  песколовки (рис. 6) имеют удельную нагрузку 110—130 м³/(м² ∙ ч), диаметр не более 6 м. Вода подводится по касательной. Проточная часть песколовки имеет небольшую глубину. При скорости движения воды в главном лотке 0,6—0,8 м/с в песколовке задерживается примерно 90% песка. Осажденный песок удаляют шнеком, гидроэлеватором или смывают водой, подаваемой через трубопровод, расположенный в песковом лотке. Площадь сечения песколовки определяют по формуле F = Q/qQ. Глубину песколовки принимают равной половине диаметра.

Аэрируемые  песколовки  применяют в тех случаях, когда требуется наиболее полное разделение примесей по крупности. Воздух способствует вращению воды в песколовке и тем самым повышению эффекта осаждения.