Проблемы защиты гидросферы от антропогенного загрязнения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный морской Технический Университет

Реферат

Экология

Тема: Проблемы защиты гидросферы от антропогенного загрязнения

Выполнил:

Студент 2-го курса ВЗФ (ЗО)

Коршун Ксения Романовна

Санкт-Петербург

2011 г.

Оглавление

Введение

1. Источники загрязнения гидросферы

2. Средства защиты гидросферы

2.1 Механическая очистка

2.2 Физико-химические способы очистки

2.3 Биологическая очистка

Заключение

Список литературы

Введение

Вода - одно из самых удивительных веществ на нашей планете. Мы можем видеть её в твёрдом (снег, лёд), жидком (реки, моря) и газообразном (пары воды в атмосфере) состояниях. Вся живая природа не может обойтись без воды, которая присутствует во всех процессах обмена веществ. Все вещества, поглощаемые растениями из почвы, поступают в них только в растворённом состоянии. Вообще вода - инертный растворитель, то есть растворитель, который не изменяется под воздействием веществ, которые растворяет. Именно в воде когда-то зародилась жизнь на нашей планете. Благодаря мировому океану происходит терморегуляция на нашей планете. Без воды не может жить человек. Наконец, в современном мире вода - один из важнейших факторов, определяющих размещение производственных сил, а очень часто и средство производства. Итак, важность воды и гидросферы - водной оболочки Земли, невозможно переоценить. Именно сейчас, когда темпы роста водопотребления огромны, когда некоторые страны уже испытывают острый дефицит пресной воды, особенно остро стоит вопрос снижения загрязнения пресной воды. Основой водных ресурсов России является речной сток, составляющий в среднем по водности года 4262 км3, из которых 90% приходится на бассейны Северного Ледовитого и Тихого океанов. На бассейны Каспийского и Азовского морей, где проживает свыше 80% населения России и сосредоточен её основной промышленный и сельскохозяйственный потенциал, приходится менее 8% общегодового объёма речного стока. Увеличения расходования воды промышленностью связано не только с быстрым ростом последней, но и с ростом водоёмкости производства, то есть увеличение расхода воды на единицу продукции. Так на производство 1 тонны хлопчатобумажной ткани фабрики расходуют около 250 м3воды, а на производство 1 тонны синтетического волокна - 2590 - 5000 м3. Много воды требуется химической промышленности и цветной металлургии: на производство 1 т аммиака затрачивается 1000 м3 воды, синтетического каучука - 2000 м3, никеля - 4000 м3. Для сравнения: на выплавку 1 т чугуна тратится 180 - 200 м3воды. Использование воды для хозяйственных целей - одно из звеньев круговорота воды в природе. Но антропогенное звено круговорота отличается от естественного тем, что в процессе испарения лишь небольшая часть использованной человеком воды возвращается в атмосферу опреснённой. Другая часть (около 90%) сбрасывается в реки и водоёмы в виде сточных вод, загрязнённых отходами производства. Большое значение имеет удовлетворение потребностей населения в питьевой воде в местах его проживания через централизованные (приоритетно) или нецентрализованные системы питьевого водоснабжения. Источниками централизованного водоснабжения являются поверхностные воды, доля которых в общем объёме водозабора составляет 68%, и подземные воды - 32%. В сельской местности преобладает использование в питьевых целях сооружений и устройств систем децентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Вода из колодцев, родников и других источников децентрализованного водоснабжения не защищена от загрязнения и поэтому представляют высокую эпидемиологическую опасность.

1. Источники загрязнения гидросферы

Существование биосферы и человека всегда было основано на использовании воды. Человечество постоянно стремилось к увеличению водопотребления, оказывая на гидросферу огромное и многообразное давление. Существует две категории использования воды - водопользователи и водопотребители. Водопользователи используют воду для своей деятельности (транспорт, рыбное хозяйство). Водопотребители используют воду в целях производственных, технологических и жизнеобеспечения. В настоящее время потребность населения Земли в воде составляет 18700 км3, из них 38% расходуется на ирригацию(искусственное орошение земель, испытывающих недостаток влаги, для повышения их плодородия), 9% на промышленность, 3% на бытовые нужды, 48% на разбавление сточных вод и 2% на другие потребности. На нынешнем этапе развития техносферы, когда в мире еще в большей степени возрастает воздействие человека на гидросферу, это выражается в химическом и бактериальном загрязнении вод. Все загрязняющие воду вещества делятся на группы.

1)Органические вещества сельского хозяйства, бытовых и промышленных стоков (их окисление происходит под воздействием кислорода).

2)Болезнетворные микроорганизмы и вирусы в плохо обработанных стоках городов и животноводческих ферм.

3)Азот и фосфор из бытовых и сельскохозяйственных стоков, что увеличивает содержание нитратов и нитритов в водоемах.

4)Тяжелые металлы, нефтепродукты, пестициды, моющие вещества, фенолы. В результате спец.захоронений в морские воды поступают радиоактивные и химические вещества. Так, в период с 1945 по 1948 гг. на территории Германии было обнаружено почти 300 тыс. тонн химических боеприпасов. Американцы в своем секторе нашли 93 995 тонн, англичане - 122 508, французы - 9 100, в советской зоне - 70 500. По решению тройственной комиссии стран-победительниц больше половины всех отравляющих веществ было затоплено в водах Балтийского моря, которые там покоятся до сих пор. Нефтяные загрязнения происходят за счет сбросов в океанические воды нефтепродуктов - до 6 млн. т/г., являющихся аварийными при транспортировке и добыче нефти в морях. Нефть поступает в морские воды с речными стоками. В результате 2-4 % поверхности Тихого и Атлантического океанов покрыты нефтяной пленкой. Мировой океан поступает большая часть свинца, половина ртути и пестицидов. Наконец, третий путь непосредственно связан с хозяйственной деятельностью человека в акваториях Мирового океана. Наиболее распространенный вид загрязнения нефтяное загрязнение при транспортировке и добыче нефти. Загрязнение гидросферы происходит, прежде всего, в результате сброса в реки, озера и моря промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод. К концу 90-х гг. общий мировой объем сточных вод приблизился к 5 тыс. км3 в год, или к 25% от "водного пайка" Земли. Но поскольку для разбавления этих вод требуется в среднем в 10 раз больший объем чистой воды, фактически они загрязняют гораздо больший объем русловых вод. Нетрудно догадаться, что именно в этом, а не только в росте непосредственного водозабора - главная причина обострения проблемы пресной воды. К числу сильно загрязненных относятся многие реки - Рейн, Дунай, Сена, Темза, Тибр, Миссисипи. Огайо, Волга, Днепр, Дон, Днестр. Нил, Ганг и др. Растет и загрязнение Мирового океана, "здоровью" которого угрожают одновременно с побережья, с поверхности, со дна, из рек и атмосферы. Ежегодно в Океан попадает огромное количество отходов. Наиболее загрязнены внутренние и окраинные моря - Средиземное, Северное, Ирландское, Балтийское, Черное, Азовское, внутреннее Японское, Яванское, Карибское, а также Бискайский, Персидский, Мексиканский и Гвинейский заливы. Средиземное море - самое крупное внутреннее море на Земле, колыбель нескольких великих цивилизаций. На его берегах расположено 18 стран, живут 130 млн. человек, расположено 260 портов. Кроме того, Средиземное море - одна из главных зон мирового судоходства: в нем одновременно находятся 2,5 тыс. судов дальнего плавания и 5 тыс. каботажных. По его трассам ежегодно проходит 300 -350 млн. т нефти. В результате это море в 60-70-х гг. превратилось едва ли не в главную "помойную яму" Европы. Дампинг - сброс отходов в морские воды. Ежегодно вывозятся на судах и сбрасываются в океанические воды до 6 млрд. тонн различных промышленных отходов: отстой сточных вод, строительный мусор, старая взрывчатка, жидкие радиоактивные и химические отходы. C коммунальными и промышленными отходами (стоками) в воды морей выбрасываются бактериально зараженные воды, что ведет к биологическому загрязнению прибрежных вод; с промышленными стоками выбрасываются тяжелые металлы, мышьяк, ртуть и др. Раскисление прибрежных акваторий происходит в результате выпадения "кислых" дождей, что вызывает подкисление прибрежных вод и, как следствие, ведет к невозможности размножения морских животных, рыбы. Все это уменьшает количество морепродуктов, которые в этих районах являются основным продуктом питания для населения. Острой проблемой современности является нехватка пресной воды. Запас доступных пресных вод мира, сосредоточенных в реках, озерах, подземных водах на глубине до 1 км, составляет примерно 3 млн. км3. Таких запасов сейчас и в будущем хватило бы на нужды 20-25 млрд. человек, но вода распределена на Земле неравномерно и уже сейчас люди испытывают дефицит воды. Так, в странах "третьего мира" ежегодно умирает от потребления грязной воды примерно 9 млн. человек. Примерно 1 млрд. человек не имеет необходимого количества воды, и в мире нет механизма ее распределения. Загрязнение вод происходит в результате дампинга, загрязнений (нефтяными и речными стоками), спецзахоронений, сброса коммунальных и сточных вод, раскисления прибрежных акваторий кислыми дождями. Для здоровья человека неблагоприятные последствия при использовании загрязненной воды проявляются либо непосредственно при питье, либо в результате биологического накопления по длинным пищевым цепям типа: вода - планктон - рыбы - человек или вода - почва - растения - животные - человек и т.д. В современных условиях увеличивается опасность таких эпидемических заболеваний, как холера, брюшной тиф, дизентерия и др., вызванных бактериальным загрязнением воды. Антропогенное загрязнение гидросферы Ученые различают три вида загрязнения гидросферы: физическое, химическое и биологическое. Под физическим понимается прежде всего тепловое загрязнение, образующееся в результате сброса подогретых вод, используемых для охлаждения на ТЭС и АЭС. Сброс таких вод приводит к нарушению природного водного режима. Например, реки в местах сброса таких вод не замерзают. В замкнутых водоемах это приводит к уменьшению содержания кислорода, что приводит к гибели рыб и бурному развитию одноклеточных водорослей ("цветению" воды). К физическому загрязнению относят также радиоактивные загрязнения. Химическое загрязнение гидросферы возникает в результате попадания в нее различных химических веществ и соединений. Примером служит сброс в водоемы тяжелых металлов (свинец, ртуть), удобрений (нитраты, фосфаты) и углеводородов (нефть, органические загрязнения). Главным источником выступает промышленность и транспорт. Биологическое загрязнение создается микроорганизмами, часто болезнетворными. В водную среду они попадают со стоками химической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности и животноводческих комплексов. Такие стоки могут явиться источниками различных заболеваний. Особый вопрос в этой теме загрязнение Мирового океана. Оно происходит тремя путями. Первый из них речной сток, вместе с которым в океан попадают миллионы тонн различных металлов, соединений фосфора, органические загрязнения. При этом почти все взвешенные и большинство растворенных веществ осаждаются в устьях рек и прилегающих шельфах. Второй путь загрязнения связан с атмосферными осадками, с ними в Загрязнение коснулось не только внутренних морей, но и центральных частей океанов. Возрастает угроза для глубоководных впадин: имели место случаи захоронения в них токсичных веществ и радиоактивных материалов. Но особую опасность для Океана представляет нефтяное загрязнение. В результате утечки нефти при ее добыче, транспортировке и переработке в Мировой океан ежегодно попадает (по разным источникам) от 3 до 10 млн т нефти и нефтепродуктов. Космические снимки показывают, что уже около 1/3 всей его поверхности покрыто маслянистой пленкой, которая снижает испарение, угнетает развитие планктона, ограничивает взаимодействие Океана с атмосферой. Больше всего загрязнен нефтью Атлантический океан. Движение поверхностных вод в Океане приводит к распространению загрязнения на большие расстояния. Россия занимает одно из первых мест в мире по запасам пресной воды. И учитывая, что общие ресурсы пресной воды составляют от общего объема гидросферы Земли всего 2-2,5%, становится ясно каким богатством мы обладаем. Главною опасность для этих ресурсов представляет загрязнение гидросферы. Основные запасы пресной воды сосредоточены в озерах, площадь которых в нашей стране больше территории Великобритании. В одном только Байкале находится примерно 20% мировых запасов пресной воды. Существует три вида загрязнения водной среды: физическое (прежде всего тепловое), химическое и биологическое. Химические загрязнения возникают в результате попадания различных химических веществ и соединений. К биологическим загрязнениям относятся прежде всего микроорганизмы. В водную среду они попадают вместе со стоками химической и целлюлозно-бумажной промышленности. От таких загрязнений пострадал и Байкал, и Волга, и многие большие и малые реки России. Отравление рек и морей отходами промышленности, сельского хозяйства приводят еще к одной беде -- уменьшению поступления в морскую воду кислорода и как следствие отравление морской воды сероводородом. Примером может служить Черное море. В Черном море существует установившийся режим обмена поверхности и глубинных вод, который препятствует проникновению в глубину кислорода. В результате на глубине накапливается сероводород. В последнее время ситуация в Черном море резко ухудшилась и не только из-за постепенного нарушения равновесия между сероводородными и кислородными водами, идет нарушение гидрологического режима после строительства плотин на реках, впадающих в Черное море, так и из-за загрязнения прибрежных вод отходами промышленности и сточными водами. Остро стоят проблемы химического загрязнения водоемов, рек и озер в Мордовии. Одним из наиболее ярких примеров -- сброс в водостоки и водоемы тяжелых металлов, среди которых особенно опасен свинец (антропогенные его поступления в 17 раз превышают естественные) и ртуть. Источниками этих загрязнений явились вредные производства светотехнической промышленности. В недавнем прошлом тяжелыми металлами был отравлен водоем на севере Саранска под названием Саранское море. Не обошла стороной Мордовию и общая беда -- чернобыльская авария. В результате многие районы пострадали от радиоизотопного загрязнения земель. И результаты этого антропогенного воздействия будут сказываться еще сотни лет. Результаты антропогенного воздействия: Загрязнение океана, захоронение в нем ядовитых и радиоактивных веществ, насыщение его вод углекислым газом из атмосферы, загрязнение нефтепродуктами, тяжелыми металлами, сложноорганическими соединениями, разрыв нормальной экологической связи между океаном и водами суши из-за строительства плотин и других гидросооружений. Истощение и загрязнение поверхностных вод суши и подземных вод, нарушение баланса между поверхностными и подземными водами.

2. Средства защиты гидросферы

Методы и технологическое оборудование для очистки сточных вод можно выбрать, зная допустимые концентрации примесей в очищенных сточных водах. При этом необходимо иметь в виду, что требуемые эффективность и надежность любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентрации примесей и расходов сточных вод. С этой целью применяют усреднение концентрации примесей или расхода сточных вод, а в отдельных случаях и по обоим показателям одновременно. Для этого на входе в очистные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет которых зависит от параметров, изменяющихся по времени сбросов сточных вод. Выбор объема усреднителя концентрации примесей сточной воды зависит от коэффициента подавления kn=(Cmax-Ccp)(Cд-Сср), где Сmах - максимальная концентрация примесей в сточной воде, кг/м³; Сcр - средняя концентрация примесей в сточной воде на входе в очистные сооружения, кг/м³; Сд -допустимая концентрация примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормальная эксплуатация очистных сооружений, кг/м³.

При kn?5 объем усреднителя (м³)

V=kпДQф3,

где ДQ -превышение расхода сточной воды при переменном сбросе, м^3/с; фз - продолжительность переменного сброса, с; при kn < 5 V =ДQф3/ln[kп/(kп-1)].

После расчета объема усреднителя выбирают необходимое число секций, исходя из условия ДQh/V?. Wд, где h -высота секции усреднителя, м; Wд = 0,0025 м/с -допустимая скорость движения сточной воды в усреднителе.

В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, целесообразно существующие методы классифицировать на механические, физико-химические и биологические.

2.1 Механическая очистка

Для очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле действия центробежных сил и фильтрование.

Процеживание реализуют в решетках и волокноуловителях. В вертикальных или наклонных решетках, ширина прозоров .обычно составляет 15...20 мм. Для удаления осадка веществ с входной поверхности решеток используют ручную или механическую очистку. Последующая обработка удаленного осадка требует дополнительных затрат и ухудшает санитарно-гигиенические условия в помещении. Эти недостатки устраняются при использовании решеток-дробилок, которые улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их до 10 мм и менее. В настоящее время используют несколько типоразмеров таких решеток, например, РД-200 производительностью 60 мЭ/ч и диаметром сетчатого барабана 200 мм.

Для выделения волокнистых веществ из сточных вод целлюлозно-бумажных и текстильных предприятий используют валокноуловители, например, с использованием перфорированных дисков или в виде движущихся сеток с нанесенным на них слоем волокнистой массы.

Отстаивание основано на свободном оседании (всплывании) примесей с плотностью больше (меньше) плотности воды. Процесс отстаивания реализуют в песколовках, отстойниках и жироуловителях. Для расчета этих очистных устройств необходимо знать скорость свободного осаждения (всплывания) примесей (м/с)

Wo=gd²₄(P4-PB)/(18m),

где g-ускорение свободного падения, м/с²; d4,-средний диаметр частиц, м; рч и рв -плотности частицы и воды, кг/м³; m -динамическая вязкость воды. Па/с.

Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металла и песка размером более 0,25 мм. В зависимости от направления движения сточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые. На рис.1. показана схема горизонтальной песколовки, ее длина (м)

L=бhW/Wo

где W-скорость движения воды в песколовке, W=0,15. ..0,3 м/с; б - коэффициент, учитывающий влияние возможной турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке б=1,3...1,7.

Рабочую глубину песколовки h выбирают из условия h/W?фпр, где фпр - время пребывания воды в песколовке, фпр= 30...100 с. Ширина песколовки (м)

Отстойники используют для очистки сточных вод от механических частиц размером более 0,1 мм, а также от частиц нефтепродуктов. В зависимости от направления движения потока сточной воды применяют горизонтальные, радиальные или комбинированные отстойники. При расчете отстойников определяют, как правило, его длину и высоту. Существуют различные методики расчета длины отстойников.



Рис 1. Схема горизонтальной песколовки.

1 - входной патрубок; 2 - корпус песколовки; 3-шламосборник; 4-выходной патрубок

Для расчета общей длины отстойника l=l1+l2+l3 задают расход сточной воды и размеры поперечного сечения отстойника.

Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах и центрифугах. Открытые гидроциклоны применяют для выделения из сточной воды крупных твердых примесей со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют большую производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы частиц и др), а также от конструктивных и геометрических характеристик гидроциклона

Открытый гидроциклон (рис. 2) состоит из входного патрубка 1, кольцевого водослива 2, патрубка 3для отвода очищенной воды и шламоотводящей трубы 4. Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды, а также гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой.

Производительность (м³/с) открытого гидроциклона Q= 0,785qD², где q - удельный расход воды; для гидроциклона с внутренней цилиндрической перегородкой q=7,15wo (wo-скорость свободного осаждения частиц в воде, м/с); D - диаметр цилиндрической части гидроциклона, м.

Для проектирования открытых гидроциклонов рекомендуются следующие его геометрические характеристики: D = 2...10 м; H= D; d= 0,ID при одном отверстии и d= 0,0707D при двух входных отверстиях; б = 60°.

Конструктивная схема напорного гидроциклона аналогична схеме циклона для очистки газов от твердых частиц. Производительность напорного гидроциклона

Рис . 2. Схема открытого гидроциклона

где К - коэффициент, зависящий от условий входа воды в гидроциклон; для гидроциклонов с D)=0,125...0,6 м и б =30° K=0,524; ?р- перепад давлений воды в гидроциклоне, Па; p - плотность очищаемой сточной воды, кг/м .

На рис.3. представлена схема напорного гидроциклона, обеспечивающего очистку сточной воды и от твердых частиц, и от маслопродуктов. Сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гидроциклона входной трубопровод 1 поступает в гидроциклон. Вследствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник 7, откуда они периодически удаляются. Сточная вода с содержащимися в ней маслопродуктами движется вверх. При этом вследствие меньшей плотности маслопродуктов они концентрируются в ядре закрученного потока, который поступает в приемную камеру 3, и через трубопровод 5 маслопродукты выводятся из гидроциклона для последующей утилизации. Сточная вода, очищенная от твердых частиц и маслопродуктов, скапливается в камере 2, откуда через трубопровод 6 отводится для дальнейшей очистки. Трубопровод 4 с регулируемым проходным сечением предназначен для выпуска воздуха, концентрирующегося в ядре закрученного потока очищаемой сточной воды.

Рис. 3 Схема комбинированного гидроциклона

Такие гидроциклоны используют для очистки сточных вод прокатных цехов с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов соответственно 0,13...0,16 и 0,01...0,015 кг/м³ и эффективностью их очистки около 0,7 и 0,5. При расходе очищаемой сточной воды 5 м³/ч перепад давлений в гидроциклоне составляет 0,1 МПа.

Фильтрование применяют для очистки сточных вод от тонкодисперсных примесей с малой их концентрацией.

Рис .4. Схема зернистого фильтра

Его используют как на начальной стадии очистки сточных вод, так и после некоторых методов физико-химической или биологической очистки. Для очистки сточных вод фильтрованием применяют в основном два типа фильтров: зернистые, в которых очищаемую сточную воду пропускают через насадки несвязанных пористых материалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовляют из связанных пористых материалов (сеток, натуральных и синтетических тканей, спеченных металлических порошков и т. п.).

2.2 Физико-химические методы очистки

Данные методы используют для очистки от растворенных примесей, а в некоторых случаях и от взвешенных веществ. Многие методы физико-химической очистки требуют предварительного глубокого выделения из сточной воды взвешенных веществ, для чего широко используют процесс коагуляции.

В настоящее время в связи с использованием оборотных систем водоснабжения существенно увеличивается применение физико-химических методов очистки сточных вод, основными из которых являются флотация, экстракция, нейтрализация, сорбция, ионообменная и электрохимическая очистка, гиперфильтрация, эвапорация, выпаривание, испарение и кристаллизация.

Флотация предназначена для интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками газа, подаваемого в сточную воду. В основе этого процесса имеет место молекулярное слипание частиц масла и пузырьков тонкодиспергированного в воде газа. Образование агрегатов "частица - пузырьки газа" зависит от интенсивности их столкновения друг с другом, химического взаимодействия содержащихся в воде веществ, избыточного давления газа в сточной воде и т. п.

В зависимости от способа образования пузырьков газа различают следующие виды флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, вибрационную, биологическую, электрофлотацию и др.

В настояще время на станциях очистки широко используют электрофлотацию, так как протекающие при этом электрохимические процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, применение для электрофлотации алюминиевых или стальных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц механических примесей сточной воды.

Образование дисперсной газовой фазы в процессе электрофлотации происходит вследствие электролиза воды. Основной составляющей электролизных газов является водород; при этом выделяется незначительное количество кислорода, хлора, оксидов углерода и азота.

При расчете электрофлотатора определяют расход газа, необходимого для обеспечения заданной эффективности очистки, qr=100Q(Co-Cк)6M, где Co и Ск-концентрации маслопродуктов в исходной и очищенной сточной воде, кг/м³; М-удельная адсорбция маслопродуктов газовой фазой, л/кг. Затем находят силу тока для получения требуемого количества электролизного газа I= qr/бr, где б_r- выход газа по току; б_r = 0,0076 дм³ / (л-мин).

Расход водорода (дм/мин) в смеси электролизного газа

QH2=22,4qrбH(бrMH2)

где б_H - электрохимический эквивалент водорода, б_H = 0,627 мг/(А-мин); M_н2 - молекулярная масса водорода.

Задают расход воздуха, подаваемого под границу раздела "сточная вода - воздух рабочей зоны" в камере флотации, исходя из соотношения q?50qн2 и определяют суммарный расход газовоздушной смеси, выходящей через открытую поверхность флотатора qсм=qr+qв. Выбирают удельный расход газовоздушной смеси через поверхность ценообразования щ = 300...600 дм³/(м - мин) [6.5] и определяют площадь поверхности пенообразования f=qсм/щ.

Определяют объемную плотность тока (А/м³), обеспечивающую необходимую величину газонаполнения.

j=(ц+0,261Kcp+0,1)/(0,022-0,011Kф),

где ц -степень газонаполнения сточной воды в процессе флотации; ц == 1...5 дм³/м³; Кф = 0,3...1,2 -коэффициент формы флотационной камеры.

Находят объем и площадь поперечного сечения флотационной камеры V=I/j; F=(K_ф³V)² и затем ее основные размеры.

Экстракция сточных вод основана на перераспределении примесей сточных вод в смеси двух взаимнонерастворимых жидкостей (сточной воды и экстрагента). Количественно интенсивность перераспределения оценивается коэффициентом экстракции Kф=Cэ/Cв, где Сэ и Св - концентрации примеси в экстрагенте и сточной воде по окончании процесса экстракции. В частности, при очистке сточных вод от фенола с использованием в качестве экстрагента бензола или бутилацетата Кз составляет соответственно 2,4 и 8...12. Для интенсификации процесса экстракции перемешивание смеси сточных вод с экстрагентом осуществляют в экстракционных колоннах, заполненных насадками из колец Рашига.

Нейтрализация сточных вод предназначена для выделения из них кислот, щелочей, а также солей металлов на основе кислот и щелочей. Процесс нейтрализации основан на объединении ионов водорода и гидроксильной группы в молекулу воды, в результате чего сточная вода приобретает значение рН ? 6,7 (нейтральная среда). Нейтрализацию кислот и их солей осуществляют щелочами или солями сильных щелочей: едким натром, едким кали, известью, известняком, доломитом, мрамором, мелом, магнезитом, содой, отходами щелочей и т. п. Наиболее дешевым и доступным реагентом для нейтрализации кислых сточных вод является гидроокись кальция (гашеная известь). Для нейтрализации сточных вод с содержанием щелочей и их солей (сточные воды целлюлозно-бумажных и текстильных заводов) можно использовать серную, соляную, азотную, фосфорную и другие кислоты.

Теоретический расход щелочей (кислот) для нейтрализации содержащихся в сточных водах кислот (щелочей) определяют в соответствии с уравнениями реакций нейтрализации по формуле q = сМэ/Мк где с - концентрация кислоты (щелочи) или их солей в сточной воде; Мэ и Мкк - молекулярные массы щелочи (кислоты) и кислоты (щелочи) или их солей.

На практике используют три способа нейтрализации сточных вод:

- фильтрационный-путем фильтрования сточной воды через насадки кусковых или зернистых материалов;

- водно-реагентный -добавлением в сточную воду реагента в виде раствора или сухого вещества (извести, соды или шлака); нейтрализующим раствором может быть и щелочная сточная вода;

- полусухой -перемешиванием высококонцентрированных сточных вод (например, отработанного гальванического раствора) с сухим реагентом (известью, шлаком) с последующим образованием нейтральной тестообразной массы.

Сорбцию применяют для очистки сточных вод от растворимых примесей. В качестве сорбентов используют любые мелкодисперсные материалы (золу, торф, опилки, шлаки, глину); наиболее эффективный сорбент - активированный уголь. Расход сорбента т = Q(Сo-Ск)/д, где Q-расход сточной воды, м³с; Со и Ск-концентрации примесей в исходной и очищенной сточной воде, кг/м³; а-удельная сорбция, характеризующая количество примесей, поглощаемых единицей массы сорбента, кг/с.

Ионообменную очистку применяют для обессоливания и очистки сточных вод от ионов металлов и других примесей. Очистку осуществляют ионитами-синтетическими ионообменными смолами, изготовленными в виде гранул размером 0,2...2 мм. Иониты изготовляют из нерастворимых в воде полимерных веществ, имеющих на своей поверхности подвижный ион (катион или анион), который при определенных условиях вступает в реакцию обмена с ионами того же знака, содержащимися в сточной воде.

Различают сильно- и слабокислотные катиониты (в Н⁺ или Na⁺- форме) и сильно- и слабоосновные аниониты (в ОН^-- или солевой форме), а также иониты смешанного действия.

Рис.5. Технологическая схема ионообменной очистки сточных вод:

а - одноступенчатая очистка; б - очистка с двухступенчатым анионированием; в - очистка с промежуточной дегазацией и двухступенчатым анионированием; К- катионитовый фильтр; А-анионитовый фильтр; Д-декарбонизатор. ПБ-промежуточный бак

Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием сточной воды через катиониты и аниониты. При контакте сточной воды с катионитом в водородной форме имеет место обмен катионов растворенных в воде солей на Н^{+ -} ионы катионита в соответствии с уравнением реакции

n[K]H+Meⁿ⁺-[K]_nMe+hH⁺

где К -"скелет" (радикал) катионита; Me -извлекаемый из сточной воды катион металла; n-заряд катиона. При этом имеет место увеличение кислотности сточной воды.

При контакте сточной воды с анионитом в гидроксильной форме происходит обмен анионов кислот на OH'-ионы анионита в соответствии с уравнением реакции

m[Ap]OH+A^m--[A_n]_mA+mOH

где Аn-"скелет" (радикал) анионита; А-извлекаемый из сточной воды анион; т -заряд аниона.

В зависимости от вида и концентрации примесей в сточной воде, требуемой эффективности очистки используют различные схемы ионообменных установок. Для очистки сточных вод от анионов сильных кислот применяют технологическую схему одноступенчатого Н-кати-онирования и ОН-анионирования с использованием сильнокислотного катионита и слабоосновного анионита (рис.5.a). Для более глубокой очистки сточных вод, в том числе от солей, применяют одно-или двухступенчатое Н-катионирование на сильнокислотном катионите с последующим двухступенчатым ОН-анионированием на слабо-, а затем на сильноосновном анионите (рис.5.б).

При содержании в сточной воде большого количества диоксида углерода и его солей происходит быстрое истощение емкости сильноосновного анионита Для уменьшения истощения сточную воду после катионитового фильтра дегазируют в специальных дегазаторах с насадкой из колец Рашига или в других аппаратах (рис.5.в)



Рис.6. Технологическая схема установки электрохимического окисления циансодержащих сточных вод

загрязнение гидросфера водный биологический

При необходимости обеспечивать значение рН ? 6,7 и очистки сточной воды от анионов слабых кислот вместо анионитовых фильтров второй ступени используют фильтр смешанного действия, загружаемый смесью сильнокислотного катионита и сильноосновного анионита

Электрохимическая очистка, в частности, электрохимическое окисление осуществляется электролизом и реализуется двумя путями окислением веществ путем передачи электронов непосредственно на поверхности анода или через вещество-переносчика, а также в результате взаимодействия с сильными окислителями, образовавшимися в процессе электролиза

Наличие в сточной воде достаточного количества хлорид-ионов обусловливает появление в ней при электролизе активного хлора (С1₂, НОС1, С12O, С1O , СlOз), который является сильнейшим окислителем и способен вызывать глубокую деструкцию многих органических веществ, содержащихся в сточных водах

Электрохимическое окисление применяют для очистки сточных вод гальванических процессов, содержащих простые цианиды (КС1, NaCI) или комплексные цианиды цинка, меди, железа и других металлов Электрохимическое окисление осуществляют в электролизерах (обычно прямоугольной формы) непрерывного или периодического действия. На аноде происходит окисление цианидов в малотоксичные и нетоксичные продукты (цианаты, карбонаты, диоксид углерода, азот), а на катоде -разряд ионов водорода с образованием газообразного водорода и разряд ионов меди, цинка, кадмия, образующихся при диссоциации комплексных анионов с содержанием CN-группы.

На рис.6. показана технологическая схема установки для электрохимического окисления сточных вод. В ее состав входят сборный резервуар 1, бак 2 для приготовления концентрированного раствора NaCI, электролизер 3 с источником постоянного напряжения 7. Очищенная от цианидов сточная вода выходит по трубопроводу 4, а при необходимости ее доочистки по трубопроводу 5 вновь направляется в сборный резервуар 7. Для интенсификации процесса окисления в электролизер 3 по трубопроводу 6 подают сжатый воздух.

2.3 Биологическая очистка

Ее применяют для выделения тонкодисперсных и растворенных органических веществ. Она основана на способности микроорганизмов использовать для питания содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т. п.). Процесс реализуется в две стадии, протекающие одновременно, но с различной скоростью: адсорбция из сточных вод тонкодисперсных и растворенных примесей органических веществ и разрушение адсорбированных веществ внутри клетки микроорганизмов при протекающих в них биохимических процессах (окислении или восстановлении). Обе стадии реализуются как в аэробных, так и в анаэробных условиях в зависимости от видов и свойств микроорганизмов. Биологическую очистку осуществляют в природных и искусственных условиях.

Сточные воды в природных условиях очищают на полях фильтрации, полях орошения и в биологических прудах . Очистку и бытовых, и производственных сточных вод на полях фильтрации и полях орошения в настоящее время используют очень редко в связи с малой пропускной способностью единицы площади полей и непостоянством состава производственных сточных вод, а также из-за возможности попадания на поля токсичных для их микрофлоры примесей.

Биологические пруды используют для очистки и доочистки сточных вод суточным расходом не более 6000 м³. Применяют пруды с естественной и искусственной аэрацией.

Биологические фильтры широко используют для очистки и бытовых, и производственных сточных вод. В качестве фильтровального материала для загрузки биофильтров применяют шлак, щебень, керамзит, пластмассу, гравий и т. п. Существуют биофильтры с естественной подачей воздуха; их применяют для очистки сточных вод суточным расходом не более 1000 м³ Для очистки производственных сточных вод больших расходов и сильно концентрированных используют биофильтры с принудительной подачей воздуха (рис.7.)

Рис.7. Схема биофильтра с принудительной подачей воздуха

1-трубопровод подачи исходной сточной воды; 2-водораспределительные устройства; 3- фильтровальная загрузка; 4-трубопровод отвода очищенной сточной воды; 5-гидравлический затвор; 6 - трубопровод подвода сжатого воздуха; 7 - корпус фильтра

Нормальный ход процесса биологической очистки сточных вод устанавливается после образования на загрузочном материале биофильтра биологической пленки, микроорганизмы которой адаптировались к органическим примесям сточных вод. Период адаптации обычно составляет 2...4 недели, хотя в отдельных случаях он может достигать нескольких месяцев. Для оценки состава сточных вод в процессе биологической очистки используют биологическую потребность воды в кислороде (БПК) -количество кислорода, необходимое для окисления всех органических примесей, содержащихся в единице объема сточной воды.

Объем загрузочного материала V= (La-l)/m, где La и Lt,-БПК исходной и очищенной сточной воды, кг/м³; М-окислительная мощность биофильтра -масса кислорода, которая может быть получена в сутки с единицы объема загрузочного материала биофильтра, кг/(м³сут)

Аэротенки, используемые для очистки больших расходов сточных вод, позволяют эффективно регулировать скорость и полноту протекающих в них биохимических процессов, что особенно важно для очистки промышленных сточных вод нестабильного состава. Окислительная мощность аэротенков составляет 0,5...1,5 кг/м³ в сутки. В зависимости от состава примесей сточных вод и требуемой эффективности очистки применяют аэротенки с дифференцируемой подачей воздуха, аэротенки-смесители с дифференцируемой подачей сточной воды и аэротенки с регенераторами активного ила.

При БПК > 0,5 кг/м³ используют аэротенки с дифференцируемой (сосредоточенной) подачей смеси сточной воды и активного ила в начале сооружения (рис.8). Воздух, интенсифицирующий процесс окисления органических примесей, распределяется равномерно по всей длине аэротенка. Диспергирование воздуха в очищаемой сточной воде осуществляют механическими или пневматическими аэраторами. Окислительная мощность аэротенков существенным образом зависит от концентрации активного ила в сточной воде При очистке производственных сточных вод концентрация ила обычно составляет 2...3 кг/м³ по сухому веществу.

Рис.8. Технологическая схема аэротенка

1 - трубопровод подачи исходной сточной воды; 2-первичный отстойник; 3- трубопровод подачи активного ила для повторного использования; 4-аэротенк; 5-трубопровод отвода отработанного ила; 6-трубопровод отвода очищенной сточной воды; 7-вторичный отстойник; 8--трубопровод подвода сжатого воздуха

Окситенки обеспечивают более интенсивный процесс окисления органических примесей по сравнению с аэротенками за счет подачи в них технического кислорода и повышения концентрации активного ила. Для увеличения коэффициента использования подаваемого в объем сточной воды кислорода реактор окситенка герметизируют. Очищенная от органических примесей сточная вода из реактора поступает в илоотделитель, в котором происходит выделение из нее отработанного ила. При проектировании окситенков необходимо предусматривать мероприятия по обеспечению их пожаровзрывобезопасности с учетом вредных и опасных факторов, имеющих место при эксплуатации систем с использованием газообразного кислорода.

Заключение

Я считаю, что существует множество проблем защиты гидросферы.

Но самой главной проблемой является минимальное количество способов именно защиты гидросферы. Практически все средства направлены на очистку загрязнений, а не на защиту от них. Ведь, как говорится, чисто там, где не мусорят, а не там где убирают.

Упор вынужденно (отсутствие достаточных средств) делается на борьбу с последствиями разрушений в гидросфере, но не на причины, их порождающие.

Очень трудно формировать в любой стране природоохранное мышление. Развитие сельского хозяйства и урбанистической цивилизации требовало серьезного вторжения в природную среду. В гигантских масштабах проводилось обводнение и осушение больших площадей, окультуривание нетронутых земель, повсеместное уничтожение территорий с девственной природой, загрязнение водоемов, воздуха, использование ядохимикатов. Поэтому эрозия почв, засухи, наводнения, лесные пожары - все это нерасторжимые звенья одной причинно-следственной цепи.

Охрана окружающей среды на протяжении всей истории России носила эпизодический, событийный характер, а элементы системного, комплексного подхода стали угадываться лишь в последние десятилетия XX века.

Всю предыдущую историю можно рассматривать в экологическом ¹ смысле как шедший с ускорением процесс накопления тех изменений в технике, науке и в состоянии окружающей среды, которые в конце концов переросли в современный экологический кризис. Более того, ученые считают, что уже появились первые признаки перерастания экокризиса в экологическую катастрофу, когда начинаются процессы необратимого разрушения гидросферы. Экологическая проблема поставила человечество перед выбором дальнейшего пути развития: быть ли ему по-прежнему ориентированным на безграничный рост производства или этот рост должен быть согласован с реальными возможностями природной среды и человеческого организма.

Отсюда вывод: чем более мощными средствами воздействия на природу обладает человек, тем обдуманнее и научно обоснованнее должны быть его действия по отношению к природе.

И еще одна черта современного производства в плане сопоставления его с процессами движения вещества в природе - необычайная расточительность природных ресурсов. Так, в индустриальном производстве соотношение исходного сырья и конечного полезного продукта близко к 2%, остальные 98% вещества идут в отвалы, отбросы, стоки и т. п.

Наиболее острые экологические проблемы предприятий связаны с эксплуатацией шламохранилищ, отходов от химической переработки хромовых руд. Только на одном отечественном предприятии "Хромпик" (Свердловская область) накоплено 7 млн. тонн отходов.

По данным Госгортехнадзора РФ, в стране находится в эксплуатации около 300 хвостохранилищ, при этом более 180 из них - в аварийном состоянии. Такая ситуация складывалась, по мнению Л. К. Антоненко, В. Г. Затеева, М. Г. Морозова ² , к такой ситуации шли многие десятилетия. Еще в 60-е годы при строительстве хвостохранилищ в СССР стал широко внедряться метод возведения ограждающих дамб (что граничит с отсутствием здравого смысла) из намывного материала, не располагающих противофильтрационными устройствами в виде вертикальных или наклонных экранов. Как правило, хвостохранилища или их отсеки образуют мощные каскады с перепадом отметок зеркала воды до 60 и более метров. Аварии на таких накопителях (более половины из них сегодня в аварийном состоянии) носят катастрофический характер, как это случилось на Качканарском горно-обогатительном комбинате "Ванадий" в Свердловской области.

2 ноября 1999 г. при начавшемся переливе пульпы через гребень разделительной дамбы в ней образовался проран шириной 130 м и глубиной более 20 м, через который в течение 2 часов перелилось около 5 млн. куб. м воды и шламов. После переполнения резервной емкости началось разрушение основных дамб. Несколько селевых потоков уничтожили на протяжении 6 км все коммуникации, мосты, дороги, небольшие плотины и нитку газопровода. Прямой экологический ущерб от аварии превысил 210 млн. рублей.

Опасность техногенных селей, образующихся при разрушении ограждающих дамбы хвостохранилищ каскадного типа, можно продемонстрировать и другими примерами. 28 марта 1965 г. при землетрясении, случившемся в центральной части Чили, произошло разрушение тела дамб на хвостохранилище медного рудника Эль-Кобра ³ . Два хвостохранилища рудника также образовывали каскад с двумя ограждающими дамбами высотой до 35 м. Селевой поток глубиной до 8 метров за несколько минут прошел 12 км, разрушил часть рабочего поселка горняков, при этом погибло более 300 человек.

Сопоставление условий таких аварийных ситуаций позволяет утверждать, что проблемы безопасной эксплуатации хвосто- и шламохранилищ для многих государств еще будут существовать долго.

Антропогенный круговорот веществ не существует где-то отдельно от природных круговоротов, а включен в их структуру, то есть в движение масс воды, воздуха, смещения почвы и пород. Врываясь в устоявшиеся, хорошо пригнанные миллионами лет эволюции природные круговороты, антропогенные потоки вещества и энергии нарушают их равновесие, искажают и деформируют структуру взаимосвязи составляющих их звеньев. Под угрозой находится само существование некоторых из этих звеньев, а следовательно, в перспективе может распасться и вся цепь. Этого допустить, конечно, нельзя.

В современном мире обеспечить экологическую безопасность страны так же важно, как и военную, и политическую, и экономическую. Н. Н. Клюев ⁴ , характеризуя экологическое положение, анализирует влияние антропогенных изменений на территории России со стороны других государств. Основной путь распространения экологического риска в сторону России - Норвежско-Нордкапское течение, выносящее загрязнители из Северного и Норвежского морей в Баренцево. Северное море уже свыше 150 лет используется как крупномасштабная свалка отходов.

Речной сток и вместе с ним водные загрязнения "импортируют" из Казахстана Омская, а также Курганская и Тюменская области.

Казалось бы, после прохождения через градирни ТЭЦ и ГРЭС вода возвращается в водоемы без загрязняющих веществ, но резкое повышение температуры воды снижает содержание в ней кислорода, угнетает деятельность аэробных бактерий, что ведет к преобладанию восстановительных процессов над окислительными. Вода загнивает, и высшие формы жизни в ней погибают, зато бурно разрастаются низшие растения.

Из всех видов ресурсов на первом месте по росту потребностей на него и по увеличению дефицита стоит пресная вода. На первый взгляд, воды на земном шаре в общем-то много (71 % всей поверхности планеты занят водой), но воды, пригодной к потреблению, т. е. пресной, насчитывается всего 2 %. Из них почти 80 % составляет вода, находящаяся в ледовом покрове планеты. Оставшаяся сравнительно небольшая часть водных ресурсов (35 тыс. куб. км) распределена по планете крайне неравномерно. Наибольшее количество пресной воды сосредоточено в мало освоенных районах (сибирские реки и озера, бассейн Амазонки), а в большинстве промышленно развитых районов воды уже ощутимо не хватает, и дефицит ее с каждым годом растет. Особенно много воды требуют сравнительно молодые отрасли промышленности, связанные с искусственным синтезом веществ.

Например, на производство 1 тонны искусственного шелка требуется 1500 тонн воды, а на производство капрона - 2500 тонн. Много воды требуют цветная металлургия, целлюлозно-бумажная промышленность и теплоэлектростанции. Одним из самых крупных потребителей воды стало орошаемое земледелие. На производство только 1 тонны зерна требуется 300-500 куб. м воды.

В целом на хозяйственно-бытовые нужды изымается 10 % речного стока планеты, из них 5,6 % расходуются безвозвратно, отчасти испаряясь, а отчасти химически связываясь (около 100 млн. куб. м ежегодно в процессе производства).

Если безвозвратный забор воды будет и дальше увеличиваться в том же темпе, как теперь (4-5 % ежегодно), то к 2100 году человечество может исчерпать все запасы пресных вод в геосфере ⁵ .

Положение осложняется также тем, что большое количество природных вод загрязняется промышленно-бытовыми отходами - 16 % речного стока. Все это в конечном счете попадает в Мировой океан, который и без того подвергается загрязнению.

По статистике, ежегодно в России используется 67 куб. м свежей воды, причем две трети потребляет промышленность, чуть больше 20 % - ЖКХ, чуть меньше 20 % - сельское хозяйство.

Несмотря на то, что вода в России дефицитом не является, ситуацию с водными ресурсами специалисты считают предкризисной. Проблему здесь составляет не количество, а качество как самой воды, которую попусту тратят и безобразно загрязняют, так и разнообразных сооружений водохозяйственной инфраструктуры (каналов, дамб, водохранилищ, гидроузлов, насосных станций, ливневой канализации и т. д. - общим числом около 65 тысяч).

Общий ущерб от загрязнения водных ресурсов для населения, отраслей экономики и природы оценивается почти в 70 млрд. рублей ежегодно, - говорится в проекте национальной программы по развитию водохозяйственного комплекса "Вода России - XXI век".

Отставание России по средней продолжительности жизни населения от промышленно развитых стран в значительной степени связано с потреблением некачественной воды. Только ущерб от потери здоровья населения в связи с потреблением некачественной воды в целом по России оценивается более чем в 30 млрд. рублей в год ⁶ .

На сельское хозяйство приходится 1/6 объема сброса загрязненных сточных вод в природные водные объекты России. Сброс загрязненных сточных вод приводит к загрязнению водных источников и водоемов, что провоцирует заболевания или гибель рыбы, диких околоводных животных (бобер, выдра, выхухоль, норка, ондатра и др.) и птиц, околоводной растительности. Водоемы не могут быть использованы для водопоя скота, для хозяйственных целей, для отдыха людей и, самое главное, для питьевых целей. Загрязняются также подземные воды ⁷ .