Гидросферой называют водную оболочку Земли. Это совокупность океанов, морей, озер, прудов, болот и подземных вод. Гидросфера — самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10 3% об щей массы планеты.
Сельское хозяйство является основным потребителем пресной воды. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Так, необходимо воды для выращивания: 1 т пшеницы — 1500 т. 1 т риса— 7000 т. 1 т хлопка — 10 000 т. Вода необходима практически всем отраслям промышленно сти. Так, требуется воды на роизводство: п 1 т чугуна — 50— 150 т. 1 т пластмасс — 500— 1000 т. 1 т цемента — 4500 т. 1 т бумаги — 100 000 т. На электростанциях мощностью 300 тыс. к. Вт расход воды со ставляет 300 млн. т/год.
Расчеты показывают, что количество пресной воды составляет всего 2, 5% всей воды на планете; 85% — морская вода, содержащая до 35 г/л солей. Запасы пресной воды распределены крайне неравномер но: 2, 2% — 7 льды; 22, 4% — грунтовые воды; 0, 35% — атмосфера; 5, 05% — устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, кото рую ы можем м использовать, приходится всего 10 2% всей пре сной воды на Земле.
ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ И ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВОДЫ Вода принимает активное участие в физиологических процессах организма. Суточный баланс воды у человека в организме составляет около 2, 5 л. Количество потребляемой воды подвержено значительным колебаниям в зависимости от климатических условий, микроклимата и интенсивнос ти выполняемой работы. Потеря воды в количестве 10% от массы тела приводит к нарушению обмена веществ, потеря 15 20% смертельна при температуре воздуха 30°С, а потеря 25% абсолютно смертельна. Гигиеническое значение воды велико. Она используется для поддержания в надлежащем санитарном состоянии тела человека, предметов обихода, жилища и пр. , оказывает благоприятное влияние на климатические условия, условия отдыха населения, на уровень культуры и быта.
Сегодня в России потребление воды достигает 350 л на одного человека в сутки. Это в 2 3 раза больше, чем в европейских странах: Москва — 400 Лондон — 170 С. Петербург — 500 Париж — 130 Берлин — 250 Брюссель — 85
Оценка состояния поверхностных вод имеет два аспекта: количественный и качественный. И тот и другой аспекты составляют одно из важнейших условий существования живых существ, в том числе и человека. Оценка качества поверхностных вод относительно хорошо разработана и базируется на законодательных, нормативных и директивных документах. Основополагающим законом в данной области является Водный кодекс РФ (от 16. 11. 1995 N 167 ФЗ (С ИЗМЕНЕНИЯМИ НА 30 ДЕКАБРЯ 2001 ГОДА). ФЗ "О санитарно эпидемиологическом благополучии населения“ от 30. 03. 1999 N 52 ФЗ ст. 18 определяет объектам . санитарно эпидемиологические требования к водным
К нормативным и директивным документам относятся: постановление Правительства РФ от 19 декабря 1996 г. № 1504 "О порядке и утверждении нормативов предельно допустимых вредных воздействий ПДВВ на водные объекты"; Методические указания по разработке нормативов ПДС вредных веществ в поверхностные водные объекты, утвержденные приказом Минприроды России 17 декабря 1998 г. ; Методические указания по разработке нормативов ПДВВ на поверхностные водные объекты, утвержденные Минприроды России, Госкомэкологии России 26 февраля 1999 г. , Методические указания по разработке нормативов ПДВВ на подземные водные объекты и ПДС вредных веществ в подземные водные объекты, утвержденные Минприроды России 29 декабря 1998 г. ;
Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения (1988 г. ), а также существующие стандарты. Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01 " Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» . ГН 2. 1. 5. 1315 03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно питьевого и культурно бытового водопользования. ГН 2. 1. 5. 2307 07 Ориентировочные допустимые уровни (ОДУ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно питьевого и культурно бытового водопользования.
В качестве критериев оценки ресурсов поверхностных вод рекомендуются два наиболее емких показателя: величина поверхностного (речного) стока или изменение его режима применительно к определенному бассейну и величина объема единовременного отбора воды. Эти критерии с ранжированием по классам состояния приведены в табл.
Наиболее распространенным и существенным фактором, обуславливающим дефицит водных ресурсов является загрязнение водных источников, о котором обычно судят по данным наблюдений служб мониторинга Росгидромета и других ведомств, контролирующих состояние водной среды. Каждый водный объект обладает присущим ему природным гидрохимическим качеством, являющимся его исходным свойством, которое формируется под влиянием гидрологических и гидрохимических процессов, протекающих в водоеме, а также в зависимости от интенсивности его внешнего загрязнения. Совокупное воздействие этих процессов способно как нейтрализовать вредные последствия попадания в водоемы антропогенных загрязнений (самоочищение водоемов), так и привести к стойкому ухудшению качества водных ресурсов (загрязнение, засорение, истощение).
Основным критерием загрязнения воды являются ПДК, среди которых различают санитарно гигиенические (нормируют по влиянию на организм человека), и рыбохозяйственные, разработанные для защиты гидробионтов (живых существ водных объектов). Последние, как правило, строже, так как обитатели водоемов обычно более чувствительны к загрязнению, чем человек. Соответственно водоемы подразделяются на две категории: 1) питьевого и культурно бытового назначения; 2) рыбохозяйственного назначения. В водных объектах первого типа состав и свойства воды должны соответствовать нормам в створах, расположенных на расстоянии 1 км от ближайшего пункта водопользования.
Виды водопользования на водных объектах определяются органами Министерства природных ресурсов РФ и Государственного комитета РФ по охране окружающей среды и подлежат утверждению органами местного самоуправления субъектов РФ. К хозяйственно питьевому водопользованию относится использование водных объектов или их участков в качестве источников хозяйственно питьевого водоснабжения, а также для снабжения предприятий пищевой промышленности. В соответствии с Санитарными правилами и нормами Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01, питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и должна иметь благоприятные органолептические свойства. К культурно бытовому водопользованию относится использование водных объектов для купания, занятия спортом и отдыха населения. Требования к качеству воды, установленные для культурно бытового водопользования, распространяются на все участки водных объектов, находящихся в черте населенных мест, независимо от вида их использования объектами для обитания, размножения и миграции рыб и других водных организмов.
Рыбохозяйственные водные объекты могут относиться к одной из трех категорий: к высшей категории относят места расположения нерестилищ, массового нагула и зимовальных ям особо ценных видов рыб и других промысловых водных организмов, а также охранные зоны хозяйств любого типа для разведения и выращивания рыб, других водных животных и растений; к первой категории относят водные объекты, используемые для сохранения и воспроизводства ценных видов рыб, обладающих высокой чувствительностью к содержанию кислорода; ко второй категории относят водные объекты, используемые для других рыбохозяйственных целей.
Предельно допустимая концентрация вещества в воде устанавливается: для хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДКв) с учетом трех показателей вредности: органолептического; общесанитарного; санитарно токсикологического. для рыбохозяйственного водопользования (ПДКвр) с учетом пяти показателей вредности: органолептического; санитарно токсикологического; рыбохозяйственного.
Органолептический показатель вредности характеризует способность вещества изменять органолептические свойства воды. Общесанитарный определяет влияние вещества на процессы естественного самоочищения вод за счет биохимических и химических реакций с участием естественной микрофлоры. Санитарно токсикологический показатель характеризует вредное воздействие на организм человека, а токсикологический показывает токсичность вещества для живых организмов, населяющих водный объект. Рыбохозяйственный показатель вредности определяет порчу качеств промысловых рыб.
Нормирование качества воды состоит в установлении для воды водного объекта совокупности допустимых значений показателей ее состава и свойств, в пределах которых надежно обеспечиваются здоровье населения, благоприятные условия водопользования и экологическое благополучие водного объекта. Предельно допустимая концентрация в воде водоема хозяйственно питьевого и культурно бытового водопользования (ПДКв) это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать прямого или косвенного влияния на организм человека в течение всей его жизни и на здоровье последующих поколений, и не должна ухудшать гигиенические условия водопользования. Предельно допустимая концентрация в воде водоема, используемого для рыбохозяйственных целей (ПДКвр) это концентрация вредного вещества в воде, которая не должна оказывать вредного влияния на популяции рыб, в первую очередь промысловых.
Методы комплексной оценки загрязненности поверхностных вод. А. Методы, позволяющие оценивать качество воды по совокупности гидрохимических, гидрофизических, гидробиологических, микробиологических показателей.
Критерии качества воды. Качество воды – характеристика свойств и состава воды, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования. Критерий качества воды – признак, по которому оценивается качество воды. В зависимости от прозрачности воды, содержания в ней кислорода, нитратов, аммиака определяют 4 класса воды: I – чистая питьевая вода; II – чистая техническая вода; III – умеренно загрязненная вода для водопоя скота, пригодная для промышленных нужд; IV – недопустимо загрязненная вода.
Нормативы качества питьевой воды Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01
Б. Методы, основанные на использовании обобщенных числовых характеристик качества воды, определяемых по ряду основных показателей и видам водоиcпользования. Такими характеристиками являются индексы качества воды, коэффициенты ее загрязненности. К категории наиболее часто используемых показателей для оценки качества водных объектов относят гидрохимический индекс загрязнения воды ИЗВ и гидробиологический индекс сапробности S. Индекс загрязнения воды (ИЗВ), как правило, рассчитывают по шести семи показателям, которые можно считать гидрохимическими; часть из них (концентрация растворенного кислорода, водородный показатель р. Н, биологическое потребление кислорода БПК 5) является обязательной. Ci концентрация компонента (в ряде случаев значение параметра); N число показателей, используемых для расчета индекса; ПДКi установленная величина для соответствующего типа водного объекта.
В зависимости от величины ИЗВ участки водных объектов подразделяют на классы (табл. 1. 2). Индексы загрязнения воды сравнивают для водных объектов одной биогеохимической провинции и сходного типа, для одного и того же водотока (по течению, во времени, и так далее). Таблица 1. 2. Классы качества вод в зависимости от значения индекса загрязнения воды
Из гидробиологических показателей качества в России наибольшее применение нашел так называемый индекс сапробности водных объектов, который рассчитывают исходя из индивидуальных характеристик сапробности видов, представленных в различных водных сообществах (фитопланктоне, перифитоне): Si значение сапробности гидробионта, которое задается специальными таблицами; hi относительная встречаемость индикаторных организмов (в поле зрения микроскопа); N число выбранных индикаторных организмов.
Сапробность водоема (от греч. Sapros – гнилой) характеристика степени загрязненности водоема органическими веществами. Сапробность водоема устанавливается по видовому составу обитающих в нем организмов сапробионтов. Различают олигосапробные, мезосапробные и полисапробные водоемы. Индекс сапробности численное выражение способности сообщества гидробионтов выдерживать определенный уровень органического загрязнения. Таблица 1. 3. Классы качества вод в зависимости от индексов сапробности
Индекс загрязнения воды и индекс сапробности следует отнести к интегральным характеристикам состояния. Уровень загрязненности и класс качества водных объектов иногда устанавливают в зависимости от микробиологических показателей (табл. 1. 4). Таблица 1. 4. Классы качества воды по микробиологическим показателям
В гидрохимической практике используется метод оценки качества воды, разработанный в Гидрохимическом институте. Метод позволяет производить однозначную оценку качества воды, основанную на сочетании уровня загрязнения воды по совокупности находящихся в ней загрязняющих веществ и частоты их обнаружения. Суть метода заключается в следующем. Для каждого ингредиента на основе фактических концентраций рассчитывают баллы кратности превышения ПДК – Кi и повторяемости случаев превышения Нi, а также общий оценочный балл – Вi где Сi – концентрация в воде i го ингредиента; ПДКi – предельно допустимая концентрация i го ингредиента; N ПДКi – число случаев превышения ПДК; N – общее число анализов.
Ингредиенты, для которых величина общего оценочного балла больше или равна 11, выделяются как лимитирующие показатели загрязненности (ЛПЗ). Комбинаторный индекс загрязненности рассчитывается как сумма общих оценочных баллов всех учитываемых ингредиентов. По величине комбинаторного индекса загрязненности устанавливается класс загрязненности воды (табл. 4. 6).
При комплексной оценке водных объектов, учете загрязнения, как воды, так и донных отложений используют: cуммарный показатель загрязнения Zс, отражающий эффект воздействия группы элементов. где Kс – коэффициент концентрации химического элемента определяется как отношение реального содержания элемента в воде к фоновому содержанию : Kс = С/Сф; n – число учитываемых элементов.
ОБЩИЕ И СУММАРНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОД Минерализация Суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ; обычно выражается в мг/дм 3 (до 1000 мг/дм 3) и % (промилле или тысячная доля при минерализации более 1000 мг/дм 3). По количеству солей вода делится на: пресную (< 1 г/л солей), засоленную (до 25 г/л солей) и соленую (> 25). В океане, например, — 35 г/л; Балтийском море — 8— 16 г/л; Каспийском — 11 13 г/л; Черном 17— 22 г/л. Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40 50 мг/дм 3 до 650 г/кг (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводность атмосферных осадков (с минерализацией от 3 до 60 мг/дм 3) составляет величины 20 120 мк. См/см.
Химический состав природных вод необычайно разнообразен и зависит от характера и состава почв в данной местности. В результате создается неравномерное распределение химических веществ в почве и воде определенных географических районов. В. И. Вернадский, а позднее А. П. Виноградов разработали теорию «биогео химических провинций» . Биогеохимические провинции — это географические районы, где причинным фактором заболеваний является характерный минеральный состав воды, растительных и животных организмов вследствие недостатка или избытка микроэлементов в почве, а заболевания, возникающие в этих районах, получили название геохимических эндемий или эндемических заболеваний. На земном шаре отмечены зоны, где мочекаменная болезнь носит характер эндемии — районы Средиземноморья, Индии, Китая, Средней Азии, Закавказья, Закар патья. Причиной этого является повышенная жесткость воды, обусловленная высоким суммарным содержанием кальция и магния. Причиной другой эндемической патологии — флюороза — является длительное употребление воды, содержащей фтор в концентрации свыше 1, 5 мг/л. Флюороз характеризуется своеобразной крапчатостью и буроватой окраской зубной эмали. При длительном (в течение 10 20 лет) потреблении воды с концентрацией фтора 10 мг/л и выше могут наблюдаться изменения со стороны костно суставного аппарата: остеосклероз, костные отложения на ребрах, деформация скелета. При длительном употреблении воды, бедной солями фтора (0, 5 мг/л и меньше), поражение населения кариесом зубов достигает 50% и более. Наименьшее количе ство тора выявлены в воде водоисточников Беларуси, ф Латвии, Грузии.
Температура воды в водоеме является результатом нескольких одновременно протекающих процессов, таких как солнечная радиация, испарение, теплообмен с атмосферой, перенос тепла течениями, турбулентным перемешиванием вод и др. Обычно прогревание воды происходит сверху вниз. Годовые и суточные изменения температуры воды на поверхности и глубинах определяется количеством тепла, поступающего на поверхность, а также интенсивностью и глубиной перемешивания. Суточные колебания температуры могут составлять несколько градусов и обычно наблюдаются на небольшой глубине. На мелководье амплитуда колебаний температуры воды близка к перепаду температуры воздуха. В требованиях к качеству воды водоемов, используемых для купания, спорта и отдыха, указано, что летняя температура воды в результате спуска сточных вод не должна повышаться более, чем на 3°С по сравнению со среднемесячной температурой самого жаркого месяца за последние 10 лет. В водоемах рыбохозяйственного назначения допускается повышение температуры воды в результате спуска сточных вод не более, чем на 5°С по сравнению с естественной температурой.
Взвешенные вещества (грубодисперсные примеси) Взвешенные твердые вещества, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Концентрация взвешенных частиц связана с сезонными факторами и режимом стока, зависит от пород, слагающих русло, а также от антропогенных факторов, таких как сельское хозяйство, горные разработки и т. п. Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды и на проникновение в нее света, на температуру, состав растворенных компонентов поверхностных вод, адсорбцию токсичных веществ, а также на состав и распределение отложений и на скорость осадкообразования. Вода, в которой много взвешенных частиц, не подходит для рекреационного использования по эстетическим соображениям. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водных объектов у пунктов хозяйственно питьевого и культурно бытового назначения содержание взвешенных веществ в результате спуска сточных вод не должно увеличиваться соответственно более, чем на 0, 25 мг/дм 3 и 0, 75 мг/дм 3. Для водоемов, содержащих в межень более 30 мг/дм 3 природных минеральных веществ, допускается увеличение концентрации взвешенных веществ в пределах 5%.
Органолептические наблюдения. Запах. Свойство воды вызывать у человека и животных специфическое раздражение слизистой оболочки носовых ходов. Запах воды характеризуется интенсивностью, которую измеряют в баллах. Запах воды вызывают летучие пахнущие вещества, поступающие в воду в результате процессов жизнедеятельности водных организмов, при биохимическом разложении органических веществ, при химическом взаимодействии содержащихся в воде компонентов, а также с промышленными, сельскохозяйственными и хозяйственно бытовыми сточными водами. Таблица. Определение интенсивности запаха воды
Мутность природных вод вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органическими веществами различного происхождения. Качественное определение проводят описательно: слабая опалесценция, слабая, заметная и сильная муть. В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды мутность не должна превышать 1, 5 мг/дм 3 по каолину. Мутность воды определяют турбидиметрически (по ослаблению проходящего через пробу света) путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результаты измерений выражают в мг/дм 3 (при использовании основной стандартной суспензии каолина) или в ЕМ/дм 3(единицы мутности на дм 3 при использовании основной стандартной суспензии формазина); 1, 5 мг/дм 3 каолина соответствует 2, 6 ЕМ/дм 3 формазина.
Цветность. Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений; выражается в градусах платиново кобальтовой шкалы. Определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами. Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа. Количество этих веществ зависит от геологических условий, водоносных горизонтов, характера почв, наличия болот и торфяников в бассейне реки и т. п. Сточные воды некоторых предприятий также могут создавать довольно интенсивную окраску воды. Цветность природных вод колеблется от единиц до тысяч градусов. Различают "истинный цвет", обусловленный только растворенными веществами, и "кажущийся" цвет, вызванный присутствием в воде коллоидных и взвешенных частиц, соотношения между которыми в значительной мере определяются величиной p. H. Предельно допустимая величина цветности в водах, используемых для питьевых целей, составляет 35 градусов по платиново кобальтовой шкале. В соответствии с требованиями к качеству воды в зонах рекреации окраска воды не должна обнаруживаться визуально в столбике высотой 10 см.
Водородный показатель (р. Н). Содержание ионов водорода (гидроксония H 3 O+) в природных водах определяется в основном количественным соотношением концентраций угольной кислоты и ее ионов: CO 2 + H 20= H+ + HCO 3 = 2 H+ + CO 32 . Для удобства выражения содержания водородных ионов была введена величина, представляющая собой логарифм их концентрации, взятый с обратным знаком: p. H = lg[H+]. Значение p. H в речных водах обычно варьирует в пределах 6, 5 8, 5, в атмосферных осадках 4, 6 6, 1, в болотах 5, 5 6, 0, в морских водах 7, 9 8, 3. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина p. H для большинства речных вод составляет 6, 8 7, 4, летом 7, 4 8, 2. Величина p. H природных вод определяется в некоторой степени геологией водосборного бассейна. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого водопользования, воды водных объектов в зонах рекреации, а также воды водоемов рыбохозяйственного назначения, величина p. H не должна выходить за пределы интервала значений 6, 5 8, 5.
Таблица 3. 3. Группы природных вод в зависимости от р. Н
Окислительно восстановительный потенциал (Eh). Мера химической активности элементов или их соединений в обратимых химических процессах, связанных с изменением заряда ионов в растворах. Значения окислительно восстановительных (редокс) потенциалов выражаются в вольтах (милливольтах). В природной воде значение Eh колеблется от 400 до + 700 м. В и определяется всей совокупностью происходящих в ней окислительных и восстановительных процессов, и в условиях равновесия характеризует среду сразу относительно всех элементов, имеющих переменную валентность. Изучение редокс потенциала позволяет выявить природные среды, в которых возможно существование химических элементов с переменной валентностью в определенной форме, а также выделить условия, при которых возможна миграция металлов.
Различают несколько основных типов геохимических обстановок в природных водах: окислительный характеризуемый значениями Еh+ (100 150) м. В, присутствием свободного кислорода, а также целого ряда элементов в высшей форме своей валентности (Fe 3+, Mo 6+, As 5 , V 5+, U 6+, Sr 2+, Cu 2+, Pb 4+); переходный окислительно восстановительный определяемый величинами Еh + (100 0) м. В, неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием сероводорода и кислорода. В этих условиях протекает как слабое окисление, так и слабое восстановление целого ряда металлов; восстановительный характеризуемый отрицательными значениями Еh. В подземных водах присутствуют металлы низких степеней валентности (Fe 2+, Mn 2+, Mo 4+, V 4+, U 4+), а также сероводород.
Растворенный кислород. Растворенный кислород находится в природной воде в виде молекул O 2. На его содержание в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода варьирует в широких пределах от 0 до 14 мг/дм 3 и подвержено сезонным и суточным колебаниям. Суточные колебания зависят от интенсивности процессов его продуцирования и потребления и могут достигать 2, 5 мг/дм 3 растворенного кислорода. В зимний и летний периоды распределение кислорода носит характер стратификации. Дефицит кислорода чаще наблюдается в водных объектах с высокими концентрациями загрязняющих органических веществ и в эвтрофированных водоемах, содержащих большое количество биогенных и гумусовых веществ. В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого и санитарного водопользования содержание растворенного кислорода в пробе, отобранной до 12 часов дня, не должно быть ниже 4 мг/дм 3 в любой период года; для водоемов рыбохозяйственного назначения концентрация растворенного в воде кислорода не должна быть ниже 4 мг/дм 3 в зимний период (при ледоставе) и 6 мг/дм 3 в летний.
Содержание кислорода в водоемах с различной степенью загрязненности Относительное содержание кислорода в воде, выраженное в процентах его нормального содержания, называется степенью насыщения кислородом. Эта величина зависит от температуры воды, атмосферного давления и солености. Вычисляется по формуле: M степень насыщения воды кислородом, %; а концентрация кислорода, мг/дм 3; Р атмосферное давление в данной местности, Па; N нормальная концентрация кислорода при данной температуре, минерализации (солености) и общем давлении 101308 Па.
Жесткость воды представляет собой свойство природной воды, зависящее от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью. Жесткость — зависит от содержания солей Са 2+ и Mg 2+. Различают три вида жесткости воды: общая, обусловленная содержанием солей кальция и магния независимо от содержания анионов; постоянная, обусловленная содержанием ионов С 1 и SO 42 после кипячения в течение 1 ч (она не удаляет ся); устранимая (временная) — устраняется кипячением: Са (НСО 3)2 →Са. СО 3 + СО 2 + Н 2 О. Жесткость измеряется в мг экв/л солей магния и кальция (1 мг экв соответствует 28 мг Са. О) и в градусах (1 о — количество солей кальция и магния, соответствующее 10 мг Са. О в 1 л воды). 1 мг экв/л = 2, 8° жесткости; Жесткость воды колеблется в широких пределах. Вода с жесткостью менее 4 мг экв/дм 3 считается мягкой, от 4 до 8 мг экв/дм 3 средней жесткости, от 8 до 12 мг экв/дм 3 жесткой и выше 12 мг экв/дм 3 очень жесткой. Величина общей жесткости в питьевой воде не должна превышать 10, 0 мг экв/дм 3. Особые требования предъявляются к технической воде (из за образования накипи).
Биохимическое потребление кислорода (БПК). Степень загрязнения воды органическими соединениями определяют как количество кислорода, необходимое для их окисления микроорганизмами в аэробных условиях. Биохимическое окисление различных веществ происходит с различной скоростью. К легкоокисляющимся ("биологически мягким") веществам относят формальдегид, низшие алифатические спирты, фенол, фурфурол и др. Среднее положение занимают крезолы, нафтолы, ксиленолы, резорцин, пирокатехин, анионоактивные ПАВ и др. Медленно разрушаются "биологически жесткие" вещества, такие как гидрохинон, сульфонол, неионогенные ПАВ и др. В лабораторных условиях определяется БПК 5 биохимическая потребность в кислороде за 5 суток. В поверхностных водах величины БПК 5 изменяются обычно в пределах 0, 5 4 мг O 2/дм 3 и подвержены сезонным и суточным колебаниям. Сезонные колебания зависят в основном от изменения температуры и от исходной концентрации растворенного кислорода. Влияние температуры сказывается через ее воздействие на скорость процесса потребления, которая увеличивается в 2 3 раза при повышении температуры на 10 o. C. Влияние начальной концентрации кислорода на процесс биохимического потребления кислорода связано с тем, что значительная часть микроорганизмов имеет свой кислородный оптимум для развития в целом и для физиологической и биохимической активности.
Величины БПК 5 в водоемах с различной степенью загрязненности Для водоемов, загрязненных преимущественно хозяйственно бытовыми сточными водами, БПК 5 составляет обычно около 70% БПКп. В зависимости от категории водоема величина БПК 5 регламентируется следующим образом: не более 3 мг O 2/дм 3 для водоемов хозяйственно питьевого водопользования и не более 6 мг O 2/дм 3 для водоемов хозяйственно бытового и культурного водопользования. Для морей (I и II категории рыбохозяйственного водопользования) пятисуточная потребность в кислороде (БПК 5) при 20 о. С не должна превышать 2 мг O 2/дм 3.
БПКп Полным биохимическим потреблением кислорода (БПКп) считается количество кислорода, требуемое для окисления органических примесей до начала процессов нитрификации. Количество кислорода, расходуемое для окисления аммонийного азота до нитритов и нитратов, при определении БПК не учитывается. Для бытовых сточных вод (без существенной примеси производственных) определяют БПК 20, считая, что эта величина близка к БПКп. Полная биологическая потребность в кислороде БПКп для внутренних водоемов рыбохозяйственного назначения (I и II категории) при 20 о. С не должна превышать 3 мг O 2/дм 3.
ВОДА КАК ПУТЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФЕКЦИОННЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ Исключительно большое значение имеет водный фактор в распространении острых кишечных инфекций и инвазий. В воде водоисточников могут присутствовать сальмонеллы, шигеллы, лептоспиры, кишечная палочка, пастреллы, вибрионы, микобактерии, энтеровирусы и аденовирусы, а также цисты лямблий, яйца аскариды и власоглава, личинки анкилостомы, возбудители шистосамоза и др. Природные водные объекты не являются естественной средой обитания патогенных микроорганизмов. Патогенная микрофлора, как правило, отмирает в течение определенного времени. Однако некоторые патогенные микроорганизмы могут длительно сохраняться и даже размножаться в природной воде. Длительность выживания в воде патогенных микроорганизмов зависит от состава воды, наличия и концентрации биологического субстрата, от свойств микробных клеток (способность к спорообразованию, высокое содержание в бактериальной клетке липидов и др. ), а также температуры воды, интенсивности инсоляции и др.
По данным ВОЗ, 80% всех инфекционных болезней в мире связано с неудовлетворительным качеством воды либо нарушением санитарно гигиенических норм вследствие ее недостатка. Инфекционные заболевания водной этиологии регистрируются преимущественно в развивающихся странах с низким санитарным уровнем жизни. В настоящее время треть населения земного шара — около 2 млрд. человек — лишена возможности потреблять в достаточном количестве чистую пресную воду, 61% сельских жителей развивающихся стран не могут пользоваться безопасной в эпидемиологическом отношении водой и лишь 13% из них обеспечены канализацией. Анализ более 200 вспышек заболеваний вследствие потребления или воздействия недоброкачественной воды 80 е гг. XX в. , %: Гастроэнтерит неустановленной этиологии. . . . . 65 Лямблиоз. . . . . . 11 Бактериальная дизентерия. . . . 6 Гепатит А. . . . . . 8 Легионеллез. . . . . . 4 Сальмонеллез. . . . . . 4 Брюшной тиф. . . . . . 2
Необходимо обратить внимание на менее известные заболевания, водный путь передачи для которых неоспорим, а характер их распространения всецело зависит от состояния водоснабжения и очистки питьевой воды в конкретных населенных пунктах. Наибольшую опасность в этом смысле представляют энтеро и ротавирусы, легионеллы и некоторые простейшие. Они характеризуются повсеместным распространением, высокой устойчивостью к внешней среде и к действию дезинфектантов, патогенностью для человека и отсутствием мер специфической профилактики. Имеющиеся к настоящему времени данные позволяют считать ротавирусы причиной возникновения значительного количества случаев небактериального гастроэнтерита. Кишечные вирусы способны вызвать ряд самых разнообразных симптомов и синдромов, в том числе сыпь, лихорадку, гастроэнтерит, миокардит, менингит, респираторные болезни и гепатит. Типичны и бессимптомные инфекции. При загрязнении питьевой воды сточными водами чаще всего могут возникать два заболевания, принимающие форму эпидемий — гастроэнтерит и инфекционный гепатит. Вирусные гастроэнтериты продолжительностью обычно 24— 72 ч с тошнотой, рвотой и диареей отмечаются у чувствительных индивидов всех возрастов, причем энтерит является основным клиническим синдромом болезни. Другие органы и системы реже вовлекаются в патологический процесс, и признаки поражения их менее выражены. У детей и престарелых наблюдаются наиболее серьезные проявления, когда может происходить обезвоживание и нарушение баланса электролитов, что представляет угрозу для жизни, если быстро не принять необходимых мер.
Легионеллёз ( «болезнь легионеров» ; др. названия — питтсбургская пневмония, понтиакская лихорадка, легионелла инфекция, лихорадка форта Брэгг) — сапронозное острое инфекционное заболевание, обусловленное различными видами микроорганизмов, относящихся к роду Legionella. Заболевание протекает, как правило, с выраженной лихорадкой, общей интоксикацией, поражением легких, центральной нервной системы, органов пищеварения, возможно развитие синдрома полиорганной недостаточности. Микрофотография L. pneumophila, полученная способом трансмиссионной электронной микроскопии
Название заболевания связано со вспышкой 1976 года в Филадельфии тяжёлого респираторного заболевания, протекавшего по типу пневмонии. В июле 1976 года более 4000 участников съезда Американского легиона собралось в Филадельфии (штат Пенсильвания). Это был 49 ежегодный съезд организации. После того, как съезд благополучно завершился, участники вместе со своими семьями разъехались по домам. Через три дня после окончания мероприятия, а именно 27 июля 1976 года, один из участников скоропостижно скончался от заболевания, протекавшего подобно пневмонии. Ещё через три дня один из пенсильванских терапевтов обратил внимание на то, что трое больных пневмонией, которых он лечил, тоже посещали съезд Американского легиона. В тот же день медицинская сестра одной из окрестных больниц обнаружила похожее заболевания ещё у трех участников съезда. Однако официальные органы власти штата объединили все случаи, связав заболевание со съездом, только 2 августа 1976 года. К этому моменту 18 легионеров уже умерли. Всего же во время этой вспышки заболел 221 человек, из них 34 скончалось.
Анализ предыдущих случаев заболевания пневмониями неясной этиологии после выделения возбудителя рода Legionella доказал, что массовая заболеваемость на съезде Американского легиона — не первый случай пневмонии, вызванной бактериями рода Legionella. Несмотря на этот факт, болезнь получила название «болезни легионеров» , и лишь впоследствии была предложена классификация легионеллезов. Впервые грамотрицательная палочка, отнесенная к роду Legionella была выделена Дж. Мак Дейдом и С. Шепардом в 1977 году, через полгода после описанной вспышки. Бактерия была высеяна с фрагмента легкого погибшего от легионеллеза человека. Вспышку заболевания, по мнению учёных, спровоцировали колонии легионелл, размножавшиеся в жидкости вентиляционной системы, установленной в гостинице, где остановились участники съезда.
В соответствии с современным санитарным законодательством питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства. Из перечисленных требований наибольшую сложность представляет обоснование критериев эпидемической безопасности воды. Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01 " Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» . Использование типичных кишечных микроорганизмов в качестве индикаторов биологического загрязнения является общепризнанным принципом мониторинга и оценки безопасности воды. В идеале индикаторные организмы должны удовлетворять следующим условиям: Легко обнаруживаться и идентифицироваться. Иметь схожую с патогенными организмами природу. Присутствовать в воде в гораздо больших количествах, чем патогенные организмы. Иметь жизнестойкость такую же или лучшую, чем у патогенных организмов. Самим быть не патогенными (не болезнетворными).
Так как микробиологическое загрязнение воды происходит в большинстве случаев за счет фекальных сточных вод, то в качестве индикаторных организмов была выделена небольшая группа непатогенных бактерий (точнее условно непатогенных, так как при определенных условиях они тоже способны вызывать у человека заболевания), также содержащихся в фекальных выделениях человека и животных. К числу этих микроорганизмов относятся фекальные стрептококки, колиформные бактерии и сульфитредуцирующие клостридии. Все эти микроорганизмы относительно легко выделяются и идентифицируются, поэтому могут служить надежным индикатором фекального загрязнения воды. Эти три группы бактерий способны выживать в воде на протяжении разных периодов времени. Фекальные стрептококки способны выживать в воде непродолжительное время, поэтому их присутствие в воде свидетельствует о недавнем загрязнении. Колиформные бактерии способны выживать в воде в течение нескольких недель и их наиболее легко идентифицировать, что обусловило их повсеместное применение в качестве основного индикаторного организма. Однако существует целый ряд микроорганизмов, более устойчивых к дезинфекции (хлорированию, облучению ультрафиолетовым светом и т. п. ). При обоснованном подозрении на их наличии в воде, отсутствие фекальных стрептококков и колиформных бактерий не является гарантией бактериологической безопасности воды. В этом случае применяют такие индикаторные организмы, как сульфитредуцирующие клостридии, которые могут существовать в воде неограниченное время.
При оценке чистоты водопроводной воды учитывают следующие показатели: ОМЧ воды – количество клеток микроорганизмов, выросших из 1 мл воды на среде мясо пептонный агар (МПА) при ее термостатировании в чашках Петри в течение суток при температуре 37 0 С. ; Коли титр минимальное количество материала (воды, почвы и др. ), в котором содержится 1 кишечная палочка, показатель фекального загрязнения исследуемой среды. Титр кишечной палочки водопроводной воды должен быть не меньше 300, то есть в 300 мл воды может быть обнаружена только 1 кишечная палочка; Коли индекс количество кишечных палочек, обнаруживаемое на 1 л жидкости, 1 кг твердого вещества (для пищевых продуктов) и в 1 г почвы. Коли индекс водопроводной воды не должен превышать 3, то есть в 1 л воды должно содержаться только 3 кишечных палочки; количество патогенов, наличие которых в чистой водопроводной воде вообще не допускается.
При анализе вод источника и по этапам очистки исследуемый объем воды выбирают исходя из предполагаемого загрязнения для получения изолированных колоний и, соответственно, количественного результата. При обнаружении искомых бактерий их число пересчитывают на объем воды и выражают в числе колониеобразующих единиц (КОЕ) бактерий или бляшкообразующих единиц (БОЕ) колифагов. При наличии показаний к исследованию питьевой воды на патогенные бактерии или вирусы поиск возбудителя определяется эпидемической ситуацией и его циркуляцией в объектах окружающей среды данного региона.
При этом методе анализа воды определенное количество воды пропускается через специальную мембрану с размером порядка 0. 45 мкм. В результате, на поверхности мембраны остаются все находящиеся в воде бактерии. После чего мембрану с бактериями помещают на определенное время в специальную питательную среду при температуре 30 37 о. С. Во время этого периода, называемого инкубационным, бактерии получают возможность размножиться и образовать хорошо различимые колонии, которые уже легко поддаются подсчету. В результате можно наблюдать такую:
Сан. Пи. Н 2. 1. 4. 1074 01 " Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» . Для предотвращения эпидемиологической и других видов опасности, исходящих от водных ресурсов, органами Госсанэпиднадзора в обязательном порядке проводятся мероприятия: контролируются источники централизованного водоснабжения в больших городах и эффективность обеззараживания питьевой воды; подвергаются проверке артезианские скважины, индивидуальные питьевые источники (родники, колодцы), вода открытых водоемов (озер и рек) и плавательных бассейнов; осуществляется контроль степени очистки сточных вод; расследуются вспышки инфекционных болезней.
Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ). Всемирная Организация Здравоохранения (World Health Organization ) это специализированное учреждение Организации Объединенных Наций, основная функция которого состоит в решении международных проблем здравоохранения и охраны здоровья населения. "Руководство по контролю качества питьевой воды", выпущенное этой организацией в 1984 году (пересмотренное и дополненное в 1992 году) является основным стандартом, на основании которого разрабатываются нормативы других государств. Рекомендации ВОЗ явились результатом многолетних фундаментальных исследований и основаны на понятии Переносимого Суточного Потребления (ПСП). Агентство по охране окружающей среды США (U. S. EPA) Агентство по охране окружающей среды США (U. S. Environment Protection Agency) правительственное учреждение США, в задачу которого входит защита здоровья населения и охрана окружающей среды. Этим агентством был разработан федеральный стандарт качества питьевой воды США. Данный стандарт включает в себя два раздела: National Primary Drinking Water Regulations это обязательный для соблюдения стандарт, объединяющий на сегодняшний день 79 параметров (органические и неорганические примеси, радионуклиды, микроорганизмы), потенциально опасных для здоровья человека; National Secondary Drinking Water Regulations стандарт, носящий рекомендательный характер и включающий перечень из 15 параметров, превышение нормативов по которым может ухудшить потребительские качества воды.
Европейское сообщество (EC) Директива Европейского Сообщества (European Community, EC), касающаяся "качества воды, предназначенной для потребления населением" (80/778/EC) была принята Европейским Советом 15 июля 1980 года. Более известный под названием "Директива по Питьевой Воде" (Drinking Water Directive), данный документ лег в основу водного законодательства европейских стран членов ЕС. В Директиве нормируются 66 параметров качества питьевой воды, разбитые на несколько групп (органолептические показатели; физико химические параметры; вещества, присутствие которых в воде в больших количествах нежелательно; токсичные вещества, микробиологические показатели и параметры умягченной воды, предназначенной для потребления). ЕС устанавливает для большинства параметров два уровня предельно допустимой концентрации. Уровень G это долговременная цель, которую странам членам ЕС желательно достигнуть в перспективе. Уровень I это обязательный для выполнения всеми странами порядок величин, определяющих качество воды. В Директиве эти нормы закреплены в виде величин MAC (Maximum Admissible Concentration) для каждого параметра. Законодательство стран членов ЕС должно устанавливать нормы качества воды не хуже, чем величина МАС.
При прямоточном водообеспечении промышленных предприятий вода, забираемая из природного источника, после участия в технологическом процессе возвращается в водоем в виде сточной (отработанной) воды за исключением того количества, которое безвозвратно расходуется в производстве. Образующиеся на предприятии сточные воды перед сбросом в водоем должны проходить через очистные сооружения, однако не все предприятия их имеют и сточные воды могут без очистки сбрасываться в водоем. При таком способе водообеспечения производства из природных источников забираются большие количества чистой воды , которая возвращается в природные среды в несколько меньшем объеме, но содержит токсичные для гидробионтов загрязняющие вещества.
При оборотном водообеспечении промышленных предприятий часть сточных вод повторно используется в производстве после их очистки (и охлаждения при необходимости ). В ряде отраслей промышленности (черная металлургия, нефтеперерабатывающая промышленность) 90 95% сточных вод используются в системах оборотного водообеспечения (водоснабжения).
МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ТЕХНОГЕННОЙ НАГРУЗКИ НА ВОДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ Создание замкнутых водооборотных систем. Для характеристики замкнутых водооборотных систем исполь зуется критерий кратности использования воды в обороте: где (Qисп — общий объем воды, потребляемый предприятием (м 3/ч; м 3/т сырья или продукции); Q 3 — забор потребления свежей воды. Чем больше кратность использования, тем совершеннее схема водоснабжения. В США в 1995 г. среднее значение кратности рав нялось 7, 5. В России в 1995 г. критерий кратности использования воды по отраслям составлял: Нефтехимия — 7, 00 Черная и цветная металлургия — 5, 25 Пищевая промышленность — 3, 00 Теплоэнергетика — 2, 25 Производство стройматериалов — 1, 60 Легкая промышленность — 1, 30 В нашей стране планировалось довести этот показатель в бли жайшие годы до 7, 00 в среднем по предприятиям, а в США — до 27.
В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы: • бытовые сточные воды — стоки душевых, прачечных, бань, столовых, туалетов, от мытья полов и т. д. Их количество в среднем составляет 0, 5— 2 л/с, с 1 га жилой застройки горо да; они содержат примерно 58% органических и 42% мине ральных веществ; • атмосферные сточные воды, или ливневые; их сток неравно мерен: раз в год — 100— 150 л/с, с 1 га; 1 раз в 10 1 лет — 200— 300 л/с. с 1 га. Особенно опасны ливневые стоки на промышленных предприятиях. Из за их неравномерности сбор и очистка этих стоков затруднены; • промышленные сточные воды — жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. Расход воды при этом исчисляют из удельного водопотребления на еди ницу продукции. Различают физические, химические, биологические и бактерио логические показатели качества воды.
Методы очистки воды. Механическая очистка стоков Промышленные сточные воды часто содержат загрязнения, которые образуют гетерогенные системы с различной степенью дисперсности загрязняющих веществ – взвеси, частицы дисперсной фазы которых образованы нерастворимыми в воде твердыми веществами. Для удаления таких частиц из воды используют процессы процеживания, отстаивания, фильтрования, которые составляют сущность методов механической очистки промышленных сточных вод. Механическую очистку как самостоятельный метод применяют в тех случаях, когда получаемую очищенную воду можно использовать в производстве или спускать в природные водоемы. Во всех других случаях механическая очистка служит предварительной стадией перед другими видами очистки сточных вод. .
Процеживание представляет собой процесс пропускания загрязненной сточной воды через решетки и сита с целью улавливания крупных примесей. Неподвижная решетка выполняется в виде металлической рамы, внутри которой устанавливается ряд параллельных стержней. Решетку ставят на пути движения сточных вод под углом 60 – 75 О. Вода со скоростью 0, 8 – 1, 0 м/с проходит между стержнями решетки, крупные загрязнения задерживаются на решетке и затем снимаются специальными механическими устройствами. Полученные твердые отходы подлежат дальнейшей переработке. Один из способов их утилизации обезвоживание на механическом прессе с последующим сжиганием с примесью дешевого топлива. Для удаления взвешенных частиц с размерами порядка 0, 5 – 1 мм применяют сита (барабанные и дисковые). Частицы задерживаются на поверхности сита, затем смываются с нее водой и отводятся в специальный желоб.
Отстаивание применяют для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей и выделения всплывающих примесей. Песколовки, отстойники, осветлители – аппараты для осаждения грубодисперсных примесей. Песколовки предназначены для выделения из сточных вод тяжелых минеральных примесей, главным образом песка, с крупностью частиц 0, 2 – 0, 25 мм. Их устанавливают перед отстойниками. Работа песколовок основана на использовании гравитационных сил. Рассчитываются песколовки таким образом, чтобы в них выпадали тяжелые минеральные частицы, но не выпадал легкий осадок органического происхождения. По характеру движения воды песколовки разделяются на горизонтальные – с круговым или прямолинейным движением воды, вертикальные – с движением воды снизу вверх и песколовки с винтовым движением воды. Конструкцию песколовок выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации загрязнений. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Они представляют собой лоток, состоящий из одной или нескольких секций шириной от 0, 8 до 8 м, глубиной до 1, 2 м.
Отстойники представляют собой сооружения, в которых из большого объема сточной воды осаждаются или всплывают грубодисперсные примеси. В зависимости от назначения отстойников в технологической схеме очистной станции они делятся на первичные и вторичные. Первичными называют отстойники перед сооружениями для биохимической очистки сточных вод, вторичными отстойники, используемые для осветления сточных вод, прошедших биохимическую очистку. По режиму работы различают отстойники периодического действия и отстойники непрерывного действия. По направлению движения основного потока воды различают отстойники горизонтальные, вертикальные, радиальные. В промышленности применяют различные конструкции отстойников. Горизонтальные отстойники представляют собой прямоугольные резервуары, имеющие два или более одновременно работающих отделения.
Схема горизонтального отстойника Вода движется от одной стороны отстойника к другой стороне. Глубина отстойника 1, 5 – 4 м, длина в 8 12 раз больше глубины, ширина коридора 3 6 м. Поперечный лоток предназначен для обеспечения равномерного распределения сточной воды в отстойнике. Эффективность отстаивания достигает 60%. Получаемый в отстойнике осадок необходимо удалять и обезвреживать. При залеживании осадка в отстойниках в течение длительного периода он загнивает с выделением газов и всплывает.
Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический (или квадратный в плане) резервуар с коническим днищем. Сточная вода подводится по трубе вниз отстойника и движется затем снизу вверх. Осаждение проходит в восходящем потоке жидкости, скорость которого составляет 0, 5 0, 6 м/с. Высота зоны осаждения 4 5 м.
Осветлители применяются для очистки природных вод и для предварительного осветления сточных вод некоторых производств. Используют осветлители со взвешенным слоем осадка, через который пропускается вода, предварительно обработанная коагулянтом. Воду с коагулянтом подают в нижнюю часть осветлителя. Агрегаты коагулянта в виде рыхлых хлопьев захватывают частицы взвеси и поднимаются восходящим током воды на некоторую высоту, образуется слой взвешенного осадка, через который фильтруется вода. Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, а осветленная вода поступает на дальнейшую очистку. Конструкции осветлителей весьма разнообразны. Нефтеловушки и жироловушки. Для выделения из сточных вод всплывающих примесей нефти, масел, жиров в промышленности используют нефтеловушки и жироловушки. По сути эти приспособления являются также отстойниками, но примеси здесь концентрируются на поверхности водного зеркала, собираются и удаляются из верхней части такого отстойника. Нефтеловушки применяют для очистки сточных вод, содержащих грубодиспергированные нефть и нефтепродукты при концентрации более 100 мг/л. Нефтеловушки представляют собой прямоугольные вытянутые в длину резервуары, в которых происходит разделение нефти и воды за счет разницы в их плотностях. Остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде 100 мг/л. Для улавливания жиров применяют жироловушки, имеющие конструкцию, по основным элементам подобную конструкции нефтеловушек.
Фильтрование применяют для выделения из сточных вод тонкодиспергированных твердых или жидких веществ. Основной конструкционный элемент очистных установок – фильтр, представляющий собой пористую перегородку, проницаемую для воды, но задерживающую частицы дисперсной фазы. В качестве фильтров используют металлические перфорированные листы и сетки из коррозионно стойкой стали или других металлов и сплавов, ткани, керамику. Роль пористой перегородки (фильтра) может выполнять слой зернистого материала – песка, гравия, кокса и др. Материал фильтра должен быть устойчив к воздействию очищаемой воды, термически стоек, механически прочен. По конструкции фильтры с зернистым слоем могут быть медленные и скоростные (однослойные и многослойные), открытые и закрытые. Скоростные многослойные фильтры характеризуются большей производительностью и степенью очистки сточных вод. Промывка фильтра проводится чистой водой при подаче ее снизу вверх.
Химическая, или реагентная, очистка а) Реакции нейтрализации. Нейтрализация — химическая реакция, ведущая к уничтожению кислотных свойств раствора с помощью щелочей, а щелочных свойств раствора — с помощью кислот. Поскольку химическая природа отходов различна, для нейтрализации одного вида отходов необходимо уменьшить кислотные свойства, а для другого — щелочные. О степени кислотности или щелочности раствора судят по величине водо родного показателя р. Н. Значение величины р. Н растворов различ ных еществ колеблется от 0 до 14. Небольшие значения в р. Н сви детельствуют о наличии кислотной среды. Чтобы контролировать реакцию нейтрализации, необходимо знать, какое количество кислоты или щелочи надо добавить в раствор для получения нужного значения р. Н. Для этого используют метод титрования, по объему израсходованного титранта вычисляя количество определяемого вещества.
Нейтрализация щелочных и особенно кислых сточных вод до p. H 6, 5– 8, 5 – наиболее распространенная и обязательная операция перед сбросом этих вод в водоемы. Используются следующие виды очистки стоков нейтрализацией. 1. Смешение между собой кислых и щелочных сточных вод. 2. Добавление к кислым растворам сточных вод щелочных реагентов: известкового молока, раствора соды: H 2 SO 4 + Ca(OH)2 (5% Са. О) = Ca. SО 4 (осадок) + 2 Н 2 О. 3. Фильтрация кислых сточных вод через крупнозернистые фильтры из известняка, доломита. 4. Нейтрализация щелочей кислыми дымами (CO 2, SO 2, NOx). Образующиеся осадки выделяются отстаиванием в шламовых болотах или аппаратах.
б) Реакции окисления восстановления. Любая реакция окисления восстановления есть одновременное окисление одних компонентов и восстановление других. Наибо лее распространенные окислители и восстановители: Один из важнейших окисляющих агентов — хлор. Поэтому большинство химических операций со сточными водами начинается с хлорирования, так, чтобы высокотоксичный хлор к концу реагентной обработки полностью удалялся из воды. Окислительно восстановительные реакции используются для превращения токсичных веществ в безвредные. Окисление токсичных примесей хлором, хлорной известью Са(ОСl)2, озоном, кислородом: СN– + OCl– = CNO– + Cl–; CNO– + H+ + H 2 O = CO 2 (газ) + NН 3 (газ), 2 CNO– + 4 OH– + 3 Cl 2 = 2 CO 2 (газ) + N 2 (газ) + 6 Cl– + 2 H 2 O. Для обеззараживания воды от бактерий также используют хлор и хлорсодержащие окислители. Озонирование более эффективно. Озон убивает не только бактерии, но и вирусы. Он окисляет фенолы (хлор их не окисляет), нефтепродукты, сероводород, ПАВ, цианиды, пестициды. Получают его из кислорода воздуха в озонаторах– трубчатых или пластинчатых конденсаторах – в условиях коронного электрического разряда.
Восстановление применяется для очистки от соединений хрома (VI), мышьяка, ртути и других металлов. В качестве восстановителей используют активированный уголь, SO 2, сульфиты, соли Fe 2+. Пример: восстановление примесей гидросульфитом натрия при р. Н 3 4: хрома (VI) 2 Cr 2 O 7 2–+ 5 H 2 SO 4 + 6 Na. HSO 3 = 4 Cr 3+ + 3 Na 2 SO 4 + 8 SO 42– + 8 H 2 O Далее Cr 3+ может быть осажден щелочным раствором и отделен. Для восстановления ртути растворы ее соединений обрабатывают сероводородом, гидросульфитом натрия, сульфидом железа (II), железным порошком.
Физико химические методы. Для очистки воды и сточных вод от примесей эффективны следующие физико химические методы: коагуляция, флотация, кристаллизация, сорбция, ионообмен, экстракция, ректификация. Коагуляционная очистка – это метод очистки сточных вод от коллоидных частиц, основанный на свойстве коллоидной системы в определенных условиях терять агрегативную устойчивость. Одним из видов коагуляции является флокуляция, при которой мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии, под влиянием специально добавляемых веществ (флокулянтов) образуют интенсивно оседающие рыхлые хлопьевидные скопления (агрегаты). Метод флокуляции применим к очистке производственных сточных вод, содержащих коллоидные частицы размером 0, 001 – 0, 1 мкм. Сточную воду, содержащую такие частицы, можно рассматривать как устойчивую коллоидную систему, состоящую из дисперсионной среды (жидкость) и частиц дисперсной фазы, несущих определенный электрический заряд. Агрегативная устойчивость обусловлена, главным образом, взаимным отталкиванием частиц, несущих электрические заряды одного знака. Добавление в сточную воду электролита приводит к коагуляции – слипанию – частиц дисперсной фазы с образованием агрегатов, оседающих в поле силы тяжести. Эффективность коагуляционной очистки зависит от многих факторов: состава сточных вод, вида коллоидных частиц, их концентрации и степени дисперсности. Основным процессом коагуляционной очистки производственных сточных вод является взаимодействие коллоидных и мелкодисперсных частиц загрязнений с агрегатами, образующимися при введении в сточную воду коагулянтов.
В промышленности находят применение различные коагулянты: соли алюминия: cульфат алюминия (глинозем) Al 2(SO 4)3. 18 H 2 O, алюминат натрия Na. Al. O 2, оксихлорид алюминия Al 2(OH)5 Cl, алюмокалиевые квасцы Al K(SO 4)2 . 18 H 2 O , алюмоамонийные квасцы Al (NH 4)(SO 4)2. 12 H 2 O ; соли железа: железный купорос Fe. SO 4 . 7 H 2 O , хлорид железа ( ) Fe. Cl 3. 6 H 2 O , сульфат железа ( )Fe 2(SO 4)3. 6 H 2 O; соли магния: хлорид магния Mg. Cl 3 . 6 H 2 O , сульфат магния Mg. SO 4. 7 H 2 O, известь, шламовые отходы и отработанные растворы отдельных производств. Флокулянты – вещества, используемые при коагуляционном методе очистки для повышения плотности и прочности образующихся хлопьев, снижения расхода коагулянтов. В качестве флокулянтов в промышленности применяются оксиэтилцеллюлоза, поливиниловый спирт, кремниевая кислота, полиакриламид, белки и др. Процесс проводят в осветлителях.
Кристаллизация. Она используется обычно тогда, когда образующиеся кристаллы пригодны для использования в производственных целях. Ее варианты: а) кристаллизация с охлаждением раствора; охладитель обычно вода, реже воздух; б) кристаллизация с частичным удалением растворителя испарением или вымораживанием; в) комбинированная кристаллизация. Адсорбция. Она используется для глубокой очистки сточных вод от органических веществ, фенолов, гербицидов, ПАВ, пестицидов, красителей. Эффективность очистки зависит от химической природы и структуры адсорбента и адсорбируемых примесей и достигает 80– 95%. Адсорбенты: активированный уголь, силикагель, шлаки, торф. Ионный обмен. Его применяют для глубокой очистки прозрачных сточных вод, содержащих до 3– 4 г/л солей, от ионов цветных и тяжелых металлов, цианидов, мышьяка, радиоактивных веществ. Экстракция (лат. extrahere – извлечение) – это извлечение обычно органической жидкостью компонентов твердого вещества или другой жидкости, несмешивающейся с первой. Она применяется для очистки сточных вод, содержащих фенолы, масла, органические кислоты, анилин, тяжелые металлы в повышенной концентрации примесей: 3– 4 г/л и более. Эффективность извлечения фенолов достигает 90– 98%. Экстракционная очистка состоит из следующих стадий: смешение сточной воды с органическим экстрагентом, разделение образующихся фаз, регенерация экстрагента из экстракта и рафината.
Экстрагент – органический растворитель или раствор, содержащий экстракционный реагент, извлекающий нужный компонент из другой фазы. Экстракционный реагент – вещество, которое образует с извлекаемым компонентом соединение, способное растворяться в органической фазе. Экстракт – органическая фаза, содержащая извлеченный компонент. Рафинат (фр. raffiner – очищать) – водной раствор, оставшийся после экстракции. Экстрагенты. В качестве экстрагентов используются эфиры (бутилацетиловый, диизопропиловый), спирты, CCl 4, бензол, толуол, хлорбензол, трибутилфосфат в керосине и др Перегонка и ректификация. Их включают в состав технологических схем основных производств и применяют, когда необходимо практически полное выделение из сточных вод малых кон центраций примесей, обычно растворенных органических жидкостей. Выделенные вещества, как правило, используются снова в технологическом процессе. Ректификация (лат. rectificare – исправлять, очищать) – способ разделения и очистки легко кипящих жидкостей путем многократного их нагрева до кипения и конденсации. Виды ректификации: простая, азеотропная и пароциркуляционная.
Биохимическая очистка а) Аэробная биохимическая очистка минерализация органического вещества промышленных или бытовых стоков, происходящая в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного в воде кислорода: С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 = 6 СО 2 + 6 Н 2 О. Технология биохимической очистки. Аэробную очистку проводят в естественных условиях и в искусственных сооружениях. Естественные условия: поля орошения и фильтрации, биологические пруды. Поля орошения – это сельскохозяйственные угодья, предназначенные для очистки сточных вод и одновременного выращивания растений. На полях фильтрации растения не выращивают. Обычно это резервные участки типа прудов для принятия сточных вод. На полях орошения очистка сточных вод основана на воздействии микрофлоры почвы, воздуха, солнца и жизнедеятельности растений. Солей в стоках должно быть меньше 4– 6 г/л. Сточные воды подаются на поля орошения в летний период через 5 дней. Биологические пруды – искусственные водоемы глубиной 0, 5– 1 м, хорошо прогреваемые солнцем и заселенные водными организмами. Они могут быть проточные (серийные или каскадные) и непроточные. Время пребывания воды в прудах с естественной аэрацией от 7 до 60 суток, с искусственной – 1– 3 суток. В последних ступенях каскадных прудов разводят рыбу, что позволяет из бежать образования ряски. В непроточных прудах сточная вода по дается после ее отстаивания и разбавления. Продолжительность очистки – 20– 30 суток. Достоинства биологических прудов – невысокая стоимость строительства и эксплуатации. Недостатки: сезонность работы, большая площадь, низкая окислительная способность, трудность чистки.
Биохимическая очистка в аэротенках. Аэротенки – крупные 1 500– 15 000 м 3 железобетонные сооружения глубиной 3– 6 м. В окситенках вместо воздуха применяется технический кислород. Это позволяет увеличить в 5– 10 раз окислительную способность процесса, повысить дозы активного ила до 6– 10 г/л.
б) Анаэробная биохимическая очистка. В случае если БПК намного выше нормы, а также для удаления избытка активного ила и отходов сельскохозяйственных продуктов применяют анаэробную биохимическую очистку в метантенках (реактор с мешалкой и теплообменником). При этом источником кислорода в воде служат группы кислородосодержащих анионов: NO 3 ; SO 42 ; СО 32. В основе метанового брожения лежит способность сообществ определенных микроорганизмов в ходе жизнедеятельности сначала в фазе кислого водородного брожения с помощью бактерий гидролизовать сложные органические соединения до более простых, а затем с помощью метанообразующих бактерий превращать их в метан и в угольную кислоту. Процесс окисления—восстановления — это переход электронов от субстрата донора к конечному акцептору. Для аэробной реакции конечным акцептором является кислород, а при ферментации (анаэробной очистке) — органическое соединение, образующееся в результате «простого перемещения» водорода из одной органической молекулы в другую: С 6 Н 12 О 6 = 3 СН 3 СООН + 15 ккал; 2 СН 3 СООН = 2 СН 4 + 2 СО 2. Образующийся газ состоит из метана (65%) и СО 2 (33%) и может быть использован для нагрева до 45— 55°С в самом метантенке, где происходит анаэробное брожение. Сброженный осадок имеет высо кую лажность (95— 98%), в его уплотняют, сушат, затем используют в качестве удобрения или, если есть токсичные примеси, сжигают.
Специальные методы очистки воды Существует много специальных методов выделения солей из природных и сточных вод. а) Дистилляция (выпаривание) — хорошо освоенный и широко применяемый метод. Мощность выпарных установок со ставляет 15— 30 тыс. м 3 в сутки. Самые мощные выпарные установки располагаются на предприятиях атомной энергетики, где необходимо опреснение морской воды, например в г. Шевченко (реактор на быстрых нейтронах). Основной недостаток этого способа — большой расход энергии — 0, 020 Гкал/т. Существуют также геоопреснительные установки, однако они неэкономичны, поскольку обладают малой мощностью (< 20 м 3/с), а стоимость опреснения здесь велика. б) Вымораживание. При медленном охлаждении соленой воды из нее в первую очередь выделяются кристаллики льда, практически не содержащие солей. Вымораживание имеет энергетические, технологические, конструкционные преимущества по сравнению с дистилляцией. в) Мембранный метод. Это электродиализ и гиперфильтрация, или обратный осмос. Электродиализ — совре менный метод деминерализации и концентрирования растворов. Основан на направленном переносе ионов диссоциированных со лей в поле постоянного тока через ионселективную мембрану из естественного или синтетического материала. Схема электродиали за редставлена на рис. 4. 6. За рубежом п этот метод получил широ кое распространение для обессоливания морской воды. Например, установка в Ливии на 20 тыс. м 3/с, в США — на 400 тыс. м 3.
Метод обратного осмоса — это процесс разделения водных растворов путем их фильтрования через полупроницаемую мемб рану под действием давления выше осмотического (до 6— 8 МПа). Процесс характеризуется небольшими энергозатратами. За рубе жом освоено производство установок производительностью до 1 тыс. м 3/с. У нас работают установки меньшей мощности, но есть разработки и проекты на большие мощности. Основные трудности этих методов — создание полупроницаемых мембран и давления. г) Ионный обмен. Широко применяется во всех странах мира; до настоящего времени был основным для приготовления глубоко обессоленной воды для АЭС и ТЭС с котлами сверхвысо кого и критического давления. Кроме того, метод ионного обмена широко используется в водооборотных циклах на предприятиях для концентрирования и извлечения из сточных вод ценных ком понентов (например, тяжелых металлов).
Основной недостаток общепринятых технологических схем ионного обмена — избыток растворов солей после регенерации ионообменных фильтров. Велик расход воды на собственные нужда (20— 60% от производительности). Существует необходимость удаления органических веществ, чтобы избежать отравления ионитами. Ионный обмен с большим допущением можно назвать мето дом обессоливания сточных вод, скорее это технологический при ем получения воды высокой степени очистки. Очень широкое применение данный метод нашел в практике умягчения воды, т. е. избавления ее от солей постоянной жесткости.
Скачать презентацию Гидросферой называют водную оболочку Земли Это совокупность
экологические загрязнения.pptx