Загрязнение природных вод: сущность процесса и его источники

Различают природное и антропогенное загрязнения. Природное загрязнение возникает в результате естественных причин — извержения вулканов, землетрясений, катастрофических наводнений и пожаров. Природное (естественное) загрязнение - загрязнение среды, источником которого являются природные процессы и явления, напрямую не обусловленные деятельностью человека: извержения вулканов, пыльные бури, наводнения, стихийные пожары и т.п. Антропогенное (искусственное) загрязнение — результат деятельности человека. В настоящее время общая мощность источников антропогенного загрязнения во многих случаях превосходит мощность естественных. Загрязнение воды - изменения химического и физического состояния или биологических характеристик воды, ограничивающие дальнейшее ее употребление. При всех типах водопользования меняются либо физическое состояние (например, при нагревании), либо химический состав воды - при поступлении загрязняющих веществ, которые делятся на две основные группы: со временем изменяющиеся в водной среде и остающиеся в ней неизменными. К первой группе относятся органические компоненты бытовых стоков и большая часть промышленных, например отходы целлюлозно-бумажных предприятий. Вторую группу составляют многие неорганические соли, например сульфат натрия, который используется как краситель в текстильной промышленности, и неактивные органические вещества типа пестицидов. Загрязнение природных вод – это снижение их биосферных функций и экономического значения в результате поступления в них вредных веществ. Загрязнение водоемов происходит как естественным, так и искусственным путем. Загрязнения поступают с дождевыми водами, смываются с берегов, а также образуются в процессе развития и отмирания животных и растительных организмов, находящихся в водоеме. Естественное загрязнение природных вод возникает в результате природных процессов, без какого либо участия или влияния человека.

Однако гораздо больший урон гидросфере наносит антропогенное загрязнение природных вод. Искусственное (антропогенное) загрязнение водоемов является, главным образом, результатом спуска в них сточных вод от промышленных предприятий и населенных пунктов. Поступающие в водоем загрязнения в зависимости от их объема и состава могут оказывать на него различное влияние: 1) изменяются физические свойства воды (изменяется прозрачность и окраска, появляются запахи и привкусы); 2) появляются плавающие вещества на поверхности водоема и образуются отложения (осадок на дне); 3) изменяется химический состав воды (изменяется реакция, содержание органических и неорганических веществ, появляются вредные вещества и т. п.); 4) уменьшается в воде содержание растворенного кисдорода вследствие его потребления на окисление поступивших органических веществ; 5) изменяются число и виды бактерий (появляются болезнетворные), вносимых в водоем вместе со сточными водами. Загрязненные водоемы становятся непригодными для питьевого, а иногда и для технического водоснабжения; в них погибает рыба. В первом десятилетии XXI века антропогенное загрязнение природных вод стало носить глобальный характер и существенно сократило доступные эксплуатационные ресурсы пресной воды на Земле. Человечество потребляет на свои нужды огромное количество пресной воды. Основными ее потребителями являются промышленность и сельское хозяйство. Наиболее водоемкие отрасли промышленности — горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70 % всей воды, затрачиваемой в промышленности. Одним из основных загрязнителей воды является нефть и нефтепродукты. Нефть может попадать в воду в результате естественных ее выходов в районах залегания. Но основные источники загрязнения связаны с человеческой деятельностью: нефтедобычей, транспортировкой, переработкой и использованием нефти в качестве топлива и промышленного сырья. Среди продуктов промышленного производства особое место по своему отрицательному воздействию на водную среду и живые организмы занимают токсичные синтетические вещества. Они находят все более широкое применение в промышленности, на транспорте, в коммунально-бытовом хозяйстве. Концентрация этих соединений в сточных водах, как правило, составляет 5-15мг/л при ПДК — 0,1 мг/л. Эти вещества могут образовывать в водоёмах слой пены, особенно хорошо заметный на порогах, перекатах, шлюзах. Способность к пенообразованию у этих веществ появляется уже при концентрации 1-2 мг/л. Из других загрязнителей необходимо назвать металлы (например, ртуть, свинец, цинк, медь, хром, олово, марганец), радиоактивные элементы, ядохимикаты, поступающие с сельскохозяйственных полей, и стоки животноводческих ферм. Небольшую опасность для водной среды из металлов представляют ртуть, свинец и их соединения.

Значительное количество таких опасных загрязняющих веществ, как пестициды, аммонийный и нитратный азот, фосфор, калий и др., смывается с сельскохозяйственных территорий. В основном они попадают в водоемы и водостоки без какой-либо очистки, а поэтому содержат высокую концентрацию органических веществ, биогенных элементов и других загрязнителей.

Главный же потребитель пресной воды — сельское хозяйство: на его нужды уходит 60-80 % всей пресной воды. Причём велик ее безвозвратный расход (особенно на орошение). Расширенное производство (без очистных сооружений) и применение ядохимикатов на полях приводят к сильному загрязнению водоемов вредными соединениями. Загрязнение водной среды происходит в результате прямого внесения ядохимикатов при обработке водоемов для борьбы с вредителями, поступления в водоемы воды, стекающей с поверхности обработанных сельскохозяйственных угодий, при сбросе в водоемы отходов предприятий — производителей, а также в результате потерь при транспортировке, хранении и частично с атмосферными осадками. Наряду с ядохимикатами сельскохозяйственные стоки содержат значительное количество остатков удобрений (азота, фосфора, калия), вносимых на поля. Кроме того, большие количества органических соединений азота и фосфора попадают со стоками от животноводческих ферм, а также с канализационными стоками. Повышение концентрации питательных веществ в почве приводит к нарушению биологического равновесия в водоеме. Вначале в таком водоеме резко увеличивается количество микроскопических водорослей. С увеличением кормовой базы возрастает количество ракообразных, рыб и других водных организмов. Затем происходит отмирание огромного количества организмов. Оно приводит к расходованию всех запасов кислорода, содержащегося в воде, и накоплению сероводорода. Обстановка в водоеме меняется настолько, что он становится непригодным для существования любых форм организмов. Водоем постепенно «умирает».

Билет 4

Коллоидные примеси представляют собой промежуточную группу между грубодисперсными частицами и растворенными веществами. Они аналогичны частицам дыма или тумана в воздухе. К  коллоидам относятся высокомолекулярные соединения органического происхождения и детергенты, кремнекислота, гидроксид железа и др. – очень мелкие агрегаты кристаллического или аморфного строения.

Во всех случаях очистки стоков первой стадией является механическая очистка, предназначенная для удаления взвесей и дисперсно-коллоидных частиц. Это процессы процеживания на решетках и ситах, отстаивания в песколовках, отстойниках и нефтеловушках, осветление в осветлителях со слоем взвешенного осадка и контактных осветлителях, центрифугирование в гидроциклонах, фильтрование через фильтрующие перегородки или зернистые материалы.

Значительно более сложные методы приходится применять для очистки воды от коллоидных и тем более растворенных частиц. Выбор метода зависит от того, в каком состоянии находится вещество — коллоидном, молекулярном или диссоциированном на ионы.

Для удаления коллоидных частиц используют физико-химические методы — флотацию, коагуляцию и флокуляцию, нарушающие кинетическую устойчивость коллоидных частиц.

Билет 5

Коагуляция(лат.coagulatio— свёртывание, сгущение, укрупнение) — объединение мелкихдиспергированных частицв бо́льшие по размеру агрегаты. Коагуляция влиозоляхвызывает выпадение хлопьевидного осадка —коагулятаили образование сетчатой структуры (застудневание).

Коагулирование воды— процесс осветления и обесцвечивания воды с применением химическихреактивов-коагулянтов, которые при взаимодействии сгидрозолямии растворимыми примесями воды образуютосадок. Используется приочисткеводопроводной водыпередотстаиваниемифильтрацией.

Коагуляцию в очистке сточных вод применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ, обладающих агрегатной устойчивостью, при коагуляции происходит укрупнение мельчайших коллоидных и диспергированных веществ, происходящих вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного притяжения. Завершается этот процесс отделением агрегатов слипшихся частиц от жидкой фазы осаждением.

В качестве коагулянтов используют в основном соли алюминия и железа — сульфаты и хлориды. При введении в осветляемую воду коагулянтов происходит их гидролиз:

Al2(SO4)3 =2Al3+ + 3SO43- 2Al3+ + 3H2O=Al(OH)3 + 3H+

Образующиеся гидроксиды алюминия или железа представляют собой коллоидные вещества, которые сорбируют развитой хлопьевидной поверхностью взвешенные мелкодисперсные и коллоидные загрязнения, а также бактерии, гуминовые вещества и даже ионы тяжелых металлов.

Различают коагуляцию в свободном объеме и контактную коагуляцию, Скорость коагуляции возрастает с увеличением концентрации электролита, в полидисперсных системах коагуляция происходит быстрее, чем в монодисперсных.

На процесс коагуляции влияют также рН, анионный состав воды, выбор коагулянта, температура, условия перемешивания и др. Доза коагулянта от 50 до 700 мг/л.

Для стабилизации и интенсификации процессов очистки воды с помощью коагулянтов. К последним добавляют специальные вещества – флокулянты. В качестве флокулянтов используют высокомолекулярные вещества, хорошо растворимые в воде, такие как крахмал, белковые гидролизные дрожки, но чаще всего синтетические, в частности, полиакриламид. Использование флокулянтов позволяет снизить дозы коагулянтов, уменьшить продолжительность коагулирования, повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Флокулянты обычно применяют в дополнение к основному коагулянту, реже самостоятельно. Доза флокулянта 0,5 — 2,0 мг/л, концентрация раствора 0,1-1,0 %.

Процесс очистки сточных вод коагуляцией и флокуляцией состоит из следующих стадий: дозирование и смешение реагентов со сточной водой, хлопьеобразование и осаждение хлопьев. Используют растворы коагулянтов с концентрацией 1-10 %.

Для смешения коагулянтов с водой и хлопьеобразования используют смесители и камеры хлопьеобразования гидравлического и механического типа. Конструкции смесителей представлены на рисунке 37.

Рисунок 37 – Смесители а – дырчатый; б – перегородчатый; в – вертикальный

Скорость движения воды в лотке, где установлены перегородки, 0,6 м/с, в отверстиях перегородок или проемов 1 м/с. В вертикальном смесители скорость меняется от 1 м/с до 25 мм/с. Камеры хлопьеобразования приведены на рисунке 38.

Рисунок 38 – Камеры хлопьеобразования а – перегородчатая; б – вихревая; б – водоворотная

Перегородчатые камеры конструктивно объединяют с горизонтальными отстойниками, скорость движения воды в коридорах 0,2-0,3 м/с. В вихревых камерах скорость движения воды изменяется от 0,7 м/с (в конической части) до 4-5 мм/с (в верхнем сечении). Водоворотные камеры хлопьеобразования конструктивно объединяются с вертикальными отстойниками, совмещаясь с центральной трубой (коагулятор — осветлитель). Осаждение хлопьев происходит в отстойниках и осветлителях различных конструкций. Иногда стадии смешения, коагулирования и осаждения осуществляют в одном аппарате.

Билет 6

В практике подготовки воды под коагуляцией понимается сумма мероприятий, направленных на очистку воды от грубой и тонкой взвеси, коллоидно-дисперсных веществ, а также обесцвечивание воды путем введения в обрабатываемую воду специального реагента - коагулянта. При введении коагулянта в обрабатываемой воде образуется осадок - коагулят, который содержит как продукты взаимодействия коагулянта с водой, так и примеси исходной воды. Осадок отделяется от воды, как правило, в осветлителях с последующим доосветлением воды в механических фильтрах (рис.1) или, реже, непосредственно в механических фильтрах (рис.2).            

Рис.1. Принципиальная схема коагуляционной установки с осветлителем

Рис.1. Принципиальная схема коагуляционной установки с осветлителем:

1 - исходная вода после подогрева; 2 - ввод хлора: 3 - ввод щелочи; 4 -осветлитель; 5 - продувка осветлителя; 6 - ввод коагулянта; 7 - ввод флокулянта; 8 - бак коагулированной воды; 9 - насос коагулированной воды; 10 - механический фильтр; 11 - осветленная вода на обессоливание

        

Рис.2. Принципиальная схема коагуляционной установки без осветлителя

Рис.2. Принципиальная схема коагуляционной установки без осветлителя:

1 - исходная вода после подогрева; 2 - ввод щелочи; 3 - ввод коагулянта; 4 - смеситель; 5 - ввод флокулянта; 6 - механический фильтр; 7 - коагулированная вода

           

     2. На электростанциях коагуляция применяется для предварительной очистки воды перед ее химическим обессоливанием или катионированием. Назначение коагуляции - удаление веществ, которые вредно влияют на состояние ионитов или недостаточно ими задерживаются и, попадая с добавочной водой в конденсатно-питательный тракт электростанции, теплосети и т.п., ухудшают работу теплосилового оборудования. К таким веществам относятся механические примеси (взвесь), органические соединения, соединения железа, нереакционноспособные соединения кремния. Удаление из воды загрязнений трех последних видов особенно важно на предочистках установок химического обессоливания добавочной воды прямоточных котлов.

Для коагуляции воды на электростанциях применяются осветлители с контактной средой из взвешенного шлама, образующегося при обработке воды, в основном аппараты ЦНИИ-2 (рис.4 и 5) и ЦНИИ-3 (рис.6). Выполнены также проекты осветлителей в модификациях, разработанных ВТИ (рис.7 и 8).

Для известкования воды используют следующие реагенты:      

     а) кальциевую быстрогасящуюся известь.            Из-за отсутствия сорта, специально изготавливаемого для обработки воды, обычно применяют строительную известь комовую (ГОСТ 9179-70*), реже известковое молоко или известь гидратную (пушонку). Содержание активного вещества в поставляемой комовой извести обычно существенно ниже, чем это установлено ГОСТ (65-85 вес.%), и составляет около 40%, а иногда и меньше. Оно различно в различных партиях продукта. Известь дозируют в виде суспензии (известкового молока), а на установках малой производительности - в виде раствора. ______________            При гашении извести происходит гидратация окиси кальция:

;

     б) в качестве коагулянта, как правило, - сернокислое закисное железо - купорос железный технический (ГОСТ 6981-54*). В сорте А содержаниене менее 53%, нерастворимых примесей не более 0,4%, в сорте Б - соответственно 47% и 1%. Реагент поставляется в деревянных ящиках, бочках или барабанах; ______________

     в) в качестве флокулянта - полиакриламид (ПАА) - вязкий, желто-зеленый гель, содержащий от 4 до 9% активного продукта (полимера), а также некоторое количество примесей (гипс или сульфат аммония) и мономера.            Молекула полимера состоит из звеньев амида и солей акриловой кислоты -.            Полиакриламид изготавливается по техническим условиям Минхимпрома СССР [Л.3].