170003 (Основы защиты атмосферы и гидросферы)

1. Характеристика природных вод

Гидросфера, являясь важнейшим элементом биосферы, играет решающую роль во многих процессах, протекающих в природе, и в обеспечении жизни человека. Вода широко используется человеком для его практической деятельности в промышленности, сельском и городском хозяйстве. Она применяется как сырье и хладоагент, как источник энергии, для орошения полей, садов и огородов, для создания комфорта в городах и поселках, а водные магистрали – для транспортировки грузов и людей.

С давних пор человек внимательно изучает свойства воды. В 1974 г. по решению ЮНЕСКО отмечалось 300-летие науки о воде – гидрологии. Вода всегда привлекала внимание не только тех, кто искал пути ее использования для практики, но и служила предметом вдохновения писателей, поэтов, художников.

Распространение воды в природе. Объем гидросферы – 1389 млн. куб. км. Она занимает примерно 3/4 поверхности земного шара – 449,53 млн. кв. км (суша – 165,34 млн. кв. км). Из общего количества воды 1350 млн. куб. км, или свыше 97,2% – океанская вода. Баланс других источников (в куб. км) воды приведен ниже:

Значительное количество воды, порядка (10–11) х10³ куб. км является составной частью живых организмов, обитающих на земле. Организм человека примерно на 70% состоит из воды. Ежедневно человек поглощает 2 л воды.

Вода в природе находится в круговороте. Под действием тепла, излучаемого солнцем, она испаряется с поверхности мирового океана, морей, рек и озер и затем осаждается на поверхность водных бассейнов и суши.

Объем воды, испаряемой с поверхности океанов, превышает объем, осадков примерно на 35–46 тыс. куб. км в год.

В настоящее время человек использует для своих нужд примерно 3000 куб. км стоков в год, в том числе для промышленный целей 600 куб. км.

В нашей стране разрабатываются генеральные, бассейновые и территориальные схемы комплексного использования и охраны вод. На базе этих разработок осуществляются меры по регулированию стоков с помощью регулируемых водохранилищ. Создание таких водохранилищ позволяет обеспечить более организованную подачу воды на гидроэлектростанции и в оросительные системы.

Комплексные планы организации водного хозяйства позволяют осуществлять меры, направленные к экономному расходованию воды и к прекращению сброса неочищенных сточных вод. Этому способствует совершенствование технологии производственных – применение безводных технологических процессов, воздушного охлаждения, оборотного водоснабжения и других технических приемов).

В связи с ростом народонаселения количество воды, приходящейся на одного жителя земли, постепенно уменьшается.

В настоящее время на человека в сутки приходится в среднем 33 м³ воды из природных источников. В отдельных странах, этот показатель различается очень сильно: в Норвегии – 250, в Бразилии – 100, в США – 34 (без Аляски -20), в Румынии и Венгрии-11, в Китае и Индии – 9, в Польше, в Германии – 4,5, Египте – 3,5.

Потребление воды. Потребление воды промышленностью определяется цифрой, примерно равной 25–35%, населением городов и поселков – 5–6% от общего расхода. Основная масса воды расходуется в сельском хозяйстве, в растениеводстве. Растения используют влагу для формирования новых растительных элементов в процессе фотосинтеза и для процесса транспирации – испарения влаги, поступающей в растение через корневую систему.

Этот процесс связан с большим расходом воды, например выращивание 1 т зерна пшеницы требует 500 т воды. Процесс транспирации требует и большого расхода энергии, для его осуществления используется примерно 40% поглощаемой растением солнечной энергии.

Многообразное применение воды для различных практических целей объясняется ее исключительными химическими, физическими и биологическими свойствами.

Свойства воды. Формула воды – Н₂О – была предложена в 1805 г. А. Гумбольдтом и Ж. Гей-Люссаком. В связи с тем, что водород имеет 3 изотопа, а кислород 5 – может существовать 36 видов изотопной воды. Так как в молекуле воды имеется асимметричное распределение электронных зарядов, она является диполем с высоким дипольным моментом, равным 1,87 дебая. Вода обладает высокой диэлектрической постоянной (80,1 при 20 °С). Благодаря этому свойству она является универсальным растворителем.

Твердая вода (лед) – кристаллическое вещество. Жидкая вода – по мнению ряда ученых, имеет квази-кристаллическую структуру, она состоит из ассоциированных молекул, образуемых за счет водородной связи. В шутку про воду говорят, что она – «жидкость, сохраняющая воспоминание о пребывании в состоянии льда». Свойства воды могут меняться, в частности в результате ее намагничивания.

Характеристика природных вод. В природе чистой воды не встречается. В 1 л пресной воды, как правило, содержится около 1 г солей. В морской воде их значительно больше: в водах Балтийского моря – 5 г/л, Черного моря-18 г./л, в океане – 35 г./л и водах Красного моря-41 г./л. Пресные и морские воды различаются не только по суммарному содержанию солей, но и по составу – соотношению в них главных групп солей (состав в%):

Средняя температура мирового океана 17,5 °С. Температура в океане постепенно понижается от уровня моря до глубины 1500–2000 м (до 2–4 °С), у дна океана она равна. 1,5–2 °С. В пресноводных озерах и водохранилищах имеется три слоя воды: теплый верхний – эпилимнион (в нем совершается фотосинтез) – до глубины 7–15 м, средний – метамнион (с резко падающей температурой) – толщиной 2–4 м и нижний – придонный слой (температура около 4 °С).

Речные воды делятся на маломинерализованные (до 200 мг/л соли), среднеминерализованные (200–500 мг/л), повышенной минерализации (свыше 1000 мг/л). Наряду с солями вода, как правило, содержит некоторое количество сложных природных органических соединений – гумусовых веществ. Содержание этих примесей в речных водах 5–10 мг/л, в озерных – до 150 мг/л.

В водах наблюдается значительное содержание твердых взвесей, коллоидных веществ и примесей биологического характера (микроорганизмов, водорослей и др.). Поскольку вода растворяет многие газы – в ней содержится кислород, азот (примерно в 2,5 раза больше, чем кислорода), двуокись углерода и др. Присутствие в воде кислорода обеспечивает жизнедеятельность ее флоры и фауны. Содержание растворенного кислорода в воде определяется ее температурой и реакциями, протекающими в водной среде: фотосинтеза (содержание кислорода увеличивается) и окисления органических соединений – химического и микробиологического (содержание кислорода уменьшается).

Если вода сильно загрязнена органическими соединениями, микробиологические процессы (аэробные) могут понизить содержание кислорода в воде до такого уровня, что возникнет угроза для жизни рыб (рыба не может жить в воде, если в ней кислорода меньше 4 см³/м³). На 1 г сухого органического вещества в среднем расходуется 1,5 г кислорода.

В зависимости от состава вод меняется значение рН; для рек и озер оно колеблется в пределах 5,0–8,5.

Сточные воды. В связи с индустриализацией, развитием сельского хозяйства, хозяйства городов образуются большие массы стоков, загрязненных различными примесями. В первую очередь это отходы предприятий нефтеперерабатывающей, металлургической, нефтехимической и химической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности. За последние годы увеличился объем загрязнений, поступающих в воды из сельского хозяйства – отходы животноводства, птицеводства, предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, удобрения и пестициды.

Загрязнение водных источников различными вредными веществами наносит большой вред рекам, озерам, морям и Мировому океану. В результате избытка фосфорных и азотных соединений в природных водах создаются условия для буйного роста некоторых подводных растений, в частности микероводорослей – диатомовых, зеленых, сине-зеленых. Отмирающие части растений и другие органические загрязнения, попадая на дно водоемов, разлагаются под действием бактерий (анаэробные микробиологические процессы), что приводит к уменьшению или полному удалению кислорода. При этом образуются метаны, сероводород и другие соединения. В результате в воде создается «мертвая зона». В ряде стран для предупреждения образования «мертвой зоны», проводят аэрацию водоемов при помощи компрессорных установок, подающих воздух или кислород. Для подачи в воду через аэраторы 1 кг кислорода требуется 1,1 кВт-ч электроэнергии.

Потребляемая промышленностью вода в значительной степени используется как хладагент, сбрасываемого после в водоемы. По химическому составу она немногим отличается от исходной воды и сброс ее в водоемы не приносит особого вреда. Другое дело – вода, участвующая в технологических процессах. Она насыщается множеством различных соединений, и сброс ее в природные водоемы приводит к серьезным последствиям – загрязнению рек и озер, морей, и океана ядовитыми веществами.

Состав сточных вод зависит от характера использования воды в промышленности. К наиболее вредным следует отнести стоки, возникающие при проведении химических процессов (реакционные и маточные растворы), промывные воды, образующиеся при промывке продуктов и изделий, очистке газовых систем и т.п., стоки, поступающие с горнодобывающих предприятий, образующиеся при удалении золы, собираемые с нефтеналивных судов и цистерн, ливневые потоки и др.

Многие сточные воды (особенно тепловых электростанций) сбрасываются в водоемы при повышенной температуре. В результате этого происходит тепловое загрязнение водоемов. В местах выхода теплых потоков в водоемы создаются зоны, в которых температура выше, чем во всем водоеме: на 8–12 С зимой и до 30 С летом. Это приводит к повышенному накоплению органических веществ в воде, что оказывает отрицательное влияние на биологическую жизнь водоемов.

В связи с тем, что в ряде случаев в природные водоемы сбрасываются неочищенные или плохо очищенные стоки, в них скапливается большое число и большая масса различных химических веществ. Так, в реке Рейн обнаружено около 60 тысяч различных соединений. К ним ежегодно добавляются 150–200 новых соединений. Так как при взаимодействии сбрасываемых соединений могут возникать новые соединения, число соединений в водоемах может непрерывно увеличиваться, в том числе соединений с ядовитыми свойствами, бурным запахом, окраской и т.д.

Практически во всех водоемах, не исключая океана, находятся следы нефтепродуктов, что может привести к пагубным последствиям для рыбного хозяйства, поскольку 1 кг нефти может загрязнить 1 Га поверхности воды и погубить 100 млн. личинок рыб.

Многообразие веществ, попадающих в водоемы, объясняется тем, что в них смешиваются сточные воды трех классов предприятий неорганического, органического и микробиологического профиля. Среди предприятий неорганического профиля следует назвать заводы основной химической промышленности, цветной и черной металлургии, горнохимические и горнообогатительные комбинаты, предприятия промышленности строительных материалов и др.

Источниками – органических веществ, поступающих в стоки, являются предприятия нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, заводы органического и нефтехимического синтеза, полимеров и эластомеров, красителей, пигментов, лаков и красок, фармацевтических веществ, комбинаты лесохимии, предприятия целлюлозно-бумажной промышленности и др. Многие стоки наряду с химическими содержат и биологические объекты. Это стоки пищевых предприятий, медико-биологической и микробиологической промышленности. Большая масса биологических веществ содержится в стоках, сбрасываемых сельским хозяйством.

Таблица 2. Классификация примесей воды

Академик АН УССР Л.А. Кульский предложил классификацию примесей, отражающую все их многообразие в сточных водах (табл. 2).

Эта классификация помогает проектировать и создавать очистные установки применительно к составу сточных вод. Такие установки создаются либо на локальном уровне (в цехе), либо в заводском или даже районном масштабе, когда обработка различных сточных вод ведется на крупной очистной станции.

2. Фильтрование суспендированных веществ