Комарова Л.Ф., Кормина Л.А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений

Подождите немного. Документ загружается.

181

ГЛАВА 11. ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ И

ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

11.1.

ВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ ВОД

Вода занимает особое место среди всех соединений в смысле пер-

востепенной ее важности в самых разнообразных процессах и явлениях

живой и неживой природы, а также в практическом использовании ее

человеком.

Запасы воды на Земле исчисляются примерно в 1400 млн.км

около 98 % из них являются солеными. Большая часть пресной воды,

доля которой и так невелика, труднодоступна для использования ее че-

ловеком, так как сосредоточена в ледниках на южном и северном по-

люсах нашей планеты, вершинах гор и водоносных слоях под землей.

Ежегодный объем потребления пресной воды в мире составляет 3900

млрд. м

, около половины его теряется безвозвратно, другая половина

превращается в сточные воды.

Качественный и количественный состав природных вод формиру-

ется под влиянием естественных процессов. В зависимости от степени

минерализованности воды делятся на пресные (содержание солей ме-

нее 1 г/л), солоноватые (1-10 г/л), соленые (10-50 г/л) и рассолы (более

50 г/л). По

преобладающему аниону различают воды карбонатные

(гидрокарбонатные), сульфатные и хлоридные.

Жесткость природных вод обусловлена присутствием в них солей

кальция и магния и выражается концентрацией ионов Са

и Mg

ммоль-экв/л (мг-экв/л). Общая жесткость воды подразделяется на кар-

бонатную и некарбонатную. Карбонатная связана с наличием в воде

карбанатов и бикарбонатов кальция и магния, а некарбонатная - ос-

тальных солей этих катионов (сульфатов, нитратов, хлоридов и др.).

Природные воды принято делить на три вида, сильно различаю-

щиеся

по наличию примесей. Атмосферные - воды дождевых и снего-

вых осадков - характеризуются сравнительно небольшим количеством

примесей, главным образом, растворенными газами, и почти не содер-

жат растворенных солей, в частности, кальция и магния (мягкая вода).

Поверхностные воды - речные, озерные, морские, ледниковые -

имеют значительно более широкую гамму примесей, в том числе дву-

углекислые соли

кальция, магния, натрия, калия, а также сернокислые

и хлористые соли от ничтожных количеств до полного насыщения.

Подземные - воды артезианских скважин, колодцев, ключей, гей-

зеров - характеризуются разнообразием состава растворенных солей,

182

которые зависят от состава и структуры почв и горных пород, через

которые просачиваются атмосферные и поверхностные воды, образуя

подземные водоемы. Фильтрующая способность почв и горных пород

обуславливает высокую прозрачность вод и отсутствие в них примесей

органического происхождения.

Вода находится на Земле одновременно в трех агрегатных со-

стояниях (жидкость, пар и твердое

- лед), что делает нашу планету

уникальной. Водяной пар задерживает тепловое излучение с поверхно-

сти Земли, но пропускает солнечные лучи, что способствует смягче-

нию климата. Лед легче воды и не тонет, что не позволяет промерзать

водоемам до дна и сохранить в них жизнь зимой.

Физические свойства воды в большинстве своем уникальны

резко выражены по сравнению с такими же свойствами других ве-

ществ. Вода имеет самую высокую по сравнению с другими жидкостя-

ми теплоемкость, удельную теплоту парообразования, теплопровод-

ность. Следствием этих свойств является медленное нагревание и ох-

лаждение воды, что в значительной мере и определяет ее воздействие

на климат нашей планеты.

Вода

имеет высокую диэлектрическую проницаемость, что обес-

печивает длительное пребывание веществ в растворенном состоянии и

приводит к тому, что в биосфере вода никогда не бывает чистой.

Одним из важнейших свойств воды является ее способность к об-

разованию растворов, что связано с особенностями строения воды.

Молекула воды характеризуется значительной полярностью, образуя

диполь.

Это позволяет молекулам воды соединяться друг с другом в

агрегаты и в итоге структуры различной плотности упаковки. Вода яв-

ляется универсальным растворителем, что сыграло важнейшую роль в

формировании состава природных вод.

По химическим свойствам вода представляет собой реакционно-

способное вещество, вступающее в реакции с соединениями различных

классов - галогенами, щелочными металлами, атомарным

кислородом

и др.

В отличие от других естественных богатств вода находится в не-

прерывном движении, совершая круговорот в природе, который связы-

вает воедино все воды Земли и делает их ресурсы практически неис-

черпаемыми. Началом круговорота является ее испарение с поверхно-

сти морей, океанов и континентов, происходящее под действием сол-

нечной

энергии и создающее атмосферную влагу. Часть испарившейся

воды переносится воздушными течениями на большие расстояния и

выпадает в виде дождя или снега, питая реки, озера, подземные воды,

поглощаясь почвой. В итоге вода возвращается в моря и океаны и про-

183

цесс повторяется. Вследствие круговорота в гидросфере происходит

постоянный обмен водных масс.

11.2.

ОТРЕБЛЕНИЕ ВОДЫ

Основными категориями потребителей вода расходуется:

1) на хозяйственно-питьевые нужды населения, 2) в сельском хо-

зяйстве, 3) для промышленности. Кроме того, вода используется для

целей гидроэнергетики, здравоохранения, транспорта, рекреации, лес-

ного хозяйства, пожарной безопасности и иных целей.

Классификация вод по основному целевому назначению приведе-

на на рисунке 11.1.

Рис. 11.1. Классификация вод по целевому назначению

Хозяйственно-питьевая вода должна быть безвредна для здоровья

человека, иметь хорошие органолептические показатели и быть при-

годной для использования в быту. Качество такой воды регламентиро-

вано ГОСТ 2874-82 “Вода питьевая”, в котором приводится целый ряд

показателей. Среди них мутность, цветность, запахи, привкусы, рН,

общая жесткость, содержание различных элементов (железо, марганец,

медь,

цинк, алюминий, мышьяк, молибден и др.), анионов (нитраты,

фтор, сульфаты, хлориды, полифосфаты).

Требования к воде для сельскохозяйственных нужд обусловлены

целями, для которых она предназначена. Например, для нужд живот-

новодства требуется вода с минерализацией до 3 г/л, на орошение ка-

чество воды не нормируется, но она не должна вызывать засоление

почвы.

Вода

Хозяйственно-

питьевая

Техническая

(

промышленная)

Поливная

(

сельскохозяйственная)

Энергетическая Охлаждающая Технологическая

Подпи-

точная

Оборот-

ная

Средооб-

разующая

Промы-

вающая

Реакци-

онная

184

В промышленности (техническая) вода служит для технологиче-

ских и энергетических целей, а также для охлаждения.

Технологическую воду подразделяют на средообразующую, про-

мывающую и реакционную. Вода может служить в качестве химиче-

ского реагента или промышленного сырья; среды, в которой протекают

те или иные химические реакции. Средообразующую воду используют

для растворения и образования

пульп, при обогащении и переработке

руд, гидротранспорте продуктов и отходов производства. Промываю-

щая вода применяется для промывки газообразных, жидких и твердых

продуктов и изделий в таких процессах, как, например, абсорбция, экс-

тракция. В этом случае требования к воде определяются технологией

производства.

Технологическая вода непосредственно контактирует с продук-

тами и изделиями

и поэтому загрязняется в большей степени по срав-

нению с другими видами вод.

Энергетическая вода потребляется для получения пара и нагрева

оборудования, помещений, продуктов, она обязательно подвергается

специальной обработке. Эта вода не должна содержать примесей, вы-

зывающих образование накипи, вспенивания котловой воды, унос со-

лей с паром и коррозию металла. Основные

требования к ней: предель-

но малые значения общей жесткости, растворенного кислорода, мини-

мальное солесодержание, отсутствие взвешенных веществ и соедине-

ний кремния.

Наибольшее количество воды в промышленности (65-80 %) ис-

пользуется для охлаждения жидких и газообразных продуктов в тепло-

обменных аппаратах. Эта вода должна быть стабильной, иметь малую

карбонатную жесткость, предельно малые концентрации

ионов железа

и сероводорода, иметь минимальное количество биологических загряз-

нений и не содержать грубых взвешенных частиц. Охлаждающая вода

не соприкасается с материальными потоками и не загрязняется, а лишь

нагревается.

В соответствии с назначением воду в системах производственно-

го водообеспечения можно подразделить также на четыре категории:

• вода I категории используется для охлаждения

жидких и кон-

денсации газообразных продуктов в теплообменных аппаратах без

соприкосновения с продуктом, вода нагревается и практически не

загрязняется;

• вода II категории служит в качестве среды, поглощающей и

транспортирующей растворимые и нерастворимые примеси без на-

грева, вода загрязняется, но не нагревается (гидротранспорт, обо-

гащение полезных ископаемых);

185

• вода III категории используется также как среда, поглощающая

и транспортирующая механические и растворенные примеси, но

подвергается нагреву (улавливание и очистка газа, гашение кокса и

т.п.);

• вода IV категории служит в качестве экстрагента и растворите-

ля реагента, например, при флотационном обогащении полезных

ископаемых.

Для получения исходной воды с заданными потребителями свой

ствами необходима предварительная очистка или обработка воды.

Обработка воды с целью сделать ее пригодной для питья, хозяй-

ственных или производственных целей представляет собой комплекс

физических, химических и биологических методов изменения ее пер-

воначального состава. Под обработкой воды понимают не только ее

очистку от ряда нежелательных и вредных примесей, но и

улучшение

природных свойств путем обогащения ее недостающими ингредиента-

ми.

Все многообразие методов обработки воды можно подразделить

на следующие основные группы:

1) улучшение органолептических свойств воды (осветление,

обесцвечивание, дезодорация и др.);

2) обеспечение эпидемиологической безопасности (хлорирование,

озонирование, обработка ультрафиолетовыми лучами и т.п.);

3) кондиционирование минерального состава (фторирование и

обесфторивание, обезжелезивание и деманганация,

умягчение и обес-

соливание и др.).

Метод обработки воды выбирают на основе предварительного

изучения состава и свойств воды источника и их сопоставления с тре-

бованиями потребителя. Выбор метода производят по данным технико-

экономического анализа, руководствуясь минимальными затратами и

высоким технологическим эффектом.

Количество воды, подаваемой на производственные нужды,

должно соответствовать технологическим требованиям

с учетом его

влияния на выпускаемую продукцию и обеспечения надлежащих сани-

тарно-гигиенических условий для обслуживающего персонала.

Определение количества воды, необходимой потребителю, осу-

ществляется по удельным нормам водопотребления.

Нормой водопотребления считается целесообразное количество

воды, необходимое для производственного процесса, установленное

(или рекомендуемое) на основании передового опыта или научно-

обоснованного расчета.

186

В укрупненную норму водопотребления входят все расходы воды

на предприятии: производственные, хозяйственно-питьевые, бытовые

и т.п.

Средние удельные расходы воды на производство некоторых ви-

дов продукции (нормы водопотребления) приведены в табл.11.1.

Таблица 11.1

Удельные расходы воды на производство различных видов

продукции

Вид продукции или

технологический процесс

Расход воды,

/т продукта

Переработка нефти

Производство: стали

чугуна

никеля

Получение: серной кислоты

каустической соды

синтетического волок-

на

пластмассы

бумаги и картона

цемента

15-25

220-245

250-300

4000

95-115

2500-5000

500-1000

400-800

2-13

Промышленные предприятия потребляют воду исходя из харак-

тера и объема производства, состава исходного сырья и получаемого

продукта, роли воды в технологических процессах, условий использо-

вания воды и ее физико-химических показателей, схемы водоснабже-

ния.

Наиболее крупными производственными потребителями воды яв-

ляются металлургические и нефтеперерабатывающие заводы, тепло-

электростанции, предприятия химической и

целлюлозно-бумажной

промышленности.

11.3.

АРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД

Сточная вода - это вода, бывшая в бытовом, сельскохозяйствен-

ном или производственном употреблении, а также прошедшая через

какую-либо территорию, когда загрязнения изменяют ее первоначаль-

ный химический состав или физические свойства.

Сточные воды, отводимые с территории промышленных пред-

приятий, в зависимости от условий образования делятся на:

187

1) производственные (промышленные) - использованные в техно-

логических процессах производства или получающиеся при добыче

полезных ископаемых;

2) бытовые (хозяйственно-фекальные) - от санитарных узлов про-

изводственных и непроизводственных корпусов и зданий, душевых ус-

тановок, прачечных и др.;

3) атмосферные (ливневые) - дождевые и от таяния снега.

Хозяйственно-бытовые стоки достаточно однообразны, содержа-

ние в них

органических примесей около 58 %, минеральных 42 %, в

том числе биогенные элементы (азот, фосфор, калий).

Атмосферные воды, стекающие с территории предприятий, за-

грязнены органическими и минеральными веществами.

Производственные сточные воды делятся на две категории: за-

грязненные и незагрязненные. Загрязненные содержат различные при-

меси и подразделяются на три основные группы:

1) загрязненные преимущественно минеральными примесями

(предприятия металлургической, машиностроительной, рудо- и угле-

добывающей промышленности; заводы по производству минеральных

удобрений, кислот, строительных изделий и материалов и др.);

2) загрязненные преимущественно органическими примесями

(предприятия мясной, рыбной, молочной, пищевой, целлюлозно-

бумажной, химической, микробиологической промышленности; заво-

ды по производству пластмасс, каучука и др.);

3) загрязненные минеральными и органическими примесями

(предприятия

нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехи-

мической, текстильной, легкой, фармацевтической промышленности;

заводы по производству консервов, сахара, продуктов органического

синтеза, бумаги, витаминов и др.).

По концентрации загрязняющих веществ производственные сточ-

ные воды разделяются на четыре группы, содержащие 1-500, 500-5000,

5000-30000 и более 30000 мг/л примесей.

Производственные сточные воды могут различаться по физиче-

ским свойствам загрязняющих их продуктов,

по степени агрессивности

(слабоагрессивные рН=6-6,5 и рН=8-9, сильноагрессивные рН < 6 и рН

> 9 и неагрессивные рН=6,5-8).

Незагрязненные производственные сточные воды поступают от

холодильных, компрессорных, теплообменных аппаратов. Кроме того

они образуются при охлаждении основного производственного обору-

дования и продуктов производства.

На различных предприятиях, даже при одинаковых технологиче-

ских процессах, состав производственных

сточных вод, режим водоот-

188

ведения и удельный расход на единицу выпускаемой продукции весьма

разнообразны. Большое значение в формировании состава производст-

венных сточных вод имеет вид перерабатываемого сырья.

В анализируемых сточных водах должны определяться: содержа-

ние компонентов, специфичных для данного вида производства (фено-

лов, нефтепродуктов, ПАВ и т.п.); общее количество органических ве-

ществ, выражаемое величинами

БПК

и ХПК; активная реакция; сте-

пень минерализации; интенсивность окраски и др. Физико-химические

показатели производственных сточных вод свидетельствуют о широ-

ком диапазоне колебаний состава этих вод, что вызывает необходи-

мость тщательного обоснования выбора оптимального метода очистки

для каждого из них.

В технологических процессах образуются следующие основные

виды сточных вод.

Реакционные

воды, получающиеся при протекании химических

реакций, они загрязнены исходными веществами и продуктами реак-

ции.

Воды, содержащиеся в сырье и исходных продуктах в виде сво-

бодной или связанной влаги и выделяющиеся в процессах переработки.

Промывные воды образуются при промывке сырья, продуктов,

получаемых в технологических процессах, а также оборудования.

Маточные водные растворы, получающиеся

при проведении про-

цессов в водных средах.

Водные экстракты и абсорбционные жидкости образуются при

использовании воды в качестве экстрагента или абсорбента, наиболь-

шие объемы образуются при мокрой очистке газов.

Охлаждающие воды - от охлаждения продуктов и аппаратов; во-

да, не соприкасающаяся с технологическими продуктами, применяется

в системах оборотного водоснабжения.

Другие воды

сточных вод образуются от вакуум-насосов, конден-

саторов смешения, при гидрозолоудалении, от мойки оборудования,

тары, помещений.

Отведение производственных сточных вод по общей или отдель-

ным сетям, а также смешение этих вод с бытовыми сточными водами

во многом зависит от того, будет ли в дальнейшем принята их совме-

стная или раздельная очистка

. Условия отведения сточных вод опреде-

ляются также характером загрязняющих веществ.

Количество производственных сточных вод находится в зависи-

мости от производительности предприятия по укрупненным нормам

водоотведения для различных отраслей промышленности.

189

Нормой водоотведения является установленное среднее количе-

ство сточных вод, отводимое от производства в водоем, при целесооб-

разной норме водопотребления. Укрупненная норма водоотведения

включает количество выпускаемых в водоем сточных вод - очищенных

производственных и бытовых; производственных, не требующих очи-

стки, фильтрационных из прудов-осветлителей, хвостохранилищ и

шламонакопителей.

Укрупненные нормы водоотведения в различных отраслях

про-

мышленности колеблются в широких пределах. Например, при добыче

1 т нефти образуется 0,4 м

сточных вод, 1 т угля в шахтах - 0,3 м

, при

выплавке 1 т стали или чугуна - 0,1 м

, производстве 1 т кальциниро-

ванной соды - от 8 до 10 м

, вискозного штапельного волокна - 233 м

при выработке 1 МВт.ч электроэнергии - 5 м

сточных вод.

При отсутствии норм водоотведения количество сточных вод оп-

ределяется по технологическим расчетам в соответствии с регламентом

производства. Количество сточных вод от крупных промышленных

предприятий достигает 200-400 тыс.м

/сут.

Для разработки рациональной схемы водоотведения и оценки

возможности повторного использования производственных сточных

вод изучается их состав и режим водоотведения. При этом анализиру-

ются физико-химические показатели сточных вод и режим поступле-

ния в канализационную сеть не только общего стока промышленного

предприятия, но и сточных вод от отдельных цехов, а

при необходимо-

сти от отдельных аппаратов.

При проектировании водоочистных сооружений необходимо

знать не только суточное количество сточных вод, но и режим их по-

ступления по часам суток, иначе говоря, часовой график притока сточ-

ных вод. Производственные сточные воды могут поступать в течение

смены равномерно и неравномерно. На ряде производств химической,

легкой

, текстильной, пищевой, фармацевтической и других отраслей

промышленности происходят залповые поступления высококонцен-

трированных и высокотоксичных сточных вод.

Специфика технологии различных производств требует в ряде

случаев учитывать режим притока сточных вод не только в течение су-

ток, но и по месяцам или сезонам года.

Для учета неравномерности водоотведения за различные проме-

жутки

времени существуют коэффициенты неравномерности водоот-

ведения. Коэффициент часовой неравномерности водоотведения К

представляет собой отношение максимального часового расхода Q

ч.max

к среднему часовому Q

ч.ср

в сутки наибольшего водоотведения, а ко-

эффициент суточной неравномерности К

сут

- отношение максимально-

190

го суточного расхода Q

сут.max

к среднему суточному Q

сут.ср.

. Общий ко-

эффициент неравномерности водоотведения К

общ

, применяемый при

расчете канализационной сети, получают перемножением коэффици-

ентов суточной и часовой неравномерности:

ч.max

ч.ср

; К

сут

сут.max

сут.ср

; К

общ

=К

.К

сут

Общий коэффициент неравномерности обычно определяют в за-

висимости от средних секундных расходов сточных вод.

Коэффициенты часовой неравномерности водоотведения общего

стока для различных отраслей промышленности колеблются от 1 до 2.

Для усреднения расхода и концентрации сточных вод, а иногда и

по обоим показателям одновременно, применяют специальные соору-

жения - усреднители. Они подразделяются на контактные

и проточные.

Первые применяются при небольших расходах, периодическом сбросе

сточных вод и необходимости 100 % усреднения концентрации загряз-

няющих веществ. Вторые действуют по принципу дифференцирования

потока (многокоридорные усреднители), а также механического или

пневматического перемешивания.

11.4.

УТИ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД И ИХ

ЗАГРЯЗНЕННОСТИ

Радикальным решением проблемы природных ресурсов, в том

числе и водной среды, от влияния хозяйственной деятельности являет-

ся создание и внедрение в промышленность безотходных и безводных

технологических процессов. Под такими процессами понимают от-

дельное производство или совокупность производств, в результате дея-

тельности которых исключается отрицательное воздействие на окру-

жающую среду. По существу

безотходная технология представляет со-

бой сочетание организационно-технических процессов и способов под-

готовки сырья и материалов, обеспечивающих комплексное использо-

вание сырья и энергии. Практически может быть реализована малоот-

ходная технология, где большинство отходов, по существу, является

сырьем, которое может быть использовано для получения полезной

продукции.

Отработавшие воды можно отнести к

основным отходам боль-

шинства предприятий. Действующие системы очистки включают сбор,

транспортирование, а затем соответствующую очистку воды. При этом

эффективность очистки сточных вод должна быть такой, чтобы оста-

точное содержание загрязнений было во много раз меньше сущест-

вующих предельно допустимых концентраций из-за аддитивного дей-