Охрана атмосферы

Охрана атмосферы

1. Строение атмосферы, гидросферы и литосферы.

Атмосфера — газообразная оболочка Земли. К ней относятся: атмосферный воздух; газы, растворенные в поверхностных и подземных водах; газовая составляющая почв, а также газы, выделяющиеся из горного массива, которые прямо или косвенно влияют на жизнедеятельность живых организмов. Атмосфера распространяется над Землей до 2 000 км; это от радиуса Земли.

Функции атмосферы:

• Регулирование климата Земли.

• Поглощение солнечной радиации.

• Пропускает тепловое излучение Солнца.

• Сохраняет тепло.

• Является средой распространения звука.

• Источник кислородного дыхания.

• Формирование влагооборота, связанного с образованием облаков и выпадением осадков.

• Формирующий фактор литосферы (выветривание).

Атмосфера делится на:

• Тропосфера — граница до 10 – 12 км.

• Стратосфера — граница до 55 км от тропосферы.

• Мезосфера — граница до 85 – 90 км от стратосферы.

• Термосфера — граница до 150 км от мезосферы.

• Экзосфера — граница до 800 – 2 000 км от термосферы.

Состав атмосферы.

В настоящее время состав атмосферы находится в состоянии динамического равновесия, что достигается деятельностью живых организмов.

На высоте 100 – 120 км чаще всего встречаются азот и кислород; на высоте 400 км находится кислород в атомарном состоянии (с одним свободным электроном); на высоте 600 – 1600 км чаще всего встречают гелий; выше преобладает водород.

В нижних слоях атмосферы (до 25 км) встречаются CO₂, углеводороды C_xH_y, диоксид серы SO₂, оксиды азота N_xO_y и др.

Одной из характеристик атмосферы является влажность. Влажность атмосферного воздуха определяется его насыщенностью водяными парами. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (1,5 - 2,0 км), где концентрируется примерно 50 % влаги. Количество водяного пара в воздухе зависит от его температуры: чем выше температура, тем больше влаги содержит воздух. Однако при любой конкретной температуре воздуха существует определенный предел его насыще­ния парами воды, который является максимальным. Обычно насыщение воздуха парами воды не достигает максимума, и разность между максимальным и теку­щим насыщением носит название дефицита влажности, или недостатка насыщения. Дефицит влажности — важнейший экологический параметр, поскольку он характеризует сразу две величины: температуру и влажность. Чем выше дефицит влажности, тем суше и теплее, и наоборот. Известно, что повышение дефици­та влажности в определенные отрезки вегетационного периода способствует интенсивному плодоношению растений, а у насекомых приводит к усиленному раз­множению вплоть до так называемых демографических “вспышек”. На анализе динамики дефицита влажнос­ти основаны многие способы прогнозирования различных явлений среди живых организмов.

Температура на поверхности земного шара определяется температурным режимом атмосферы и тесно связана с солнечным излучением. Известно, что количество тепла, падающего на горизонтальную поверхность, прямо пропорционально синусу угла стояния Солнца над горизонтом, поэтому наблюдаются суточ­ные и сезонные колебания температуры. Чем выше широта местности, тем больше угол наклона солнеч­ных лучей и тем холоднее климат.

Одним из инструментов атмосферы, влияющих на экологию Земли является ветер. Причина возникновения ветра — неодинаковый нагрев земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления, т.е. туда, где воздух более прогрет. Сила вращения Земли воздействует на циркуляцию воздушных масс. В приземном слое воздуха их движение оказывает влияние на все метеорологические элементы климата: режим температуры, влажности, испарения с повер­хности Земли и транспирацию растений. Ветер — важнейший фактор переноса и распределения приме­сей в атмосферном воздухе. Наблюдаются длительные периоды (циклы) преобладающей атмосферной цирку­ляции продолжительностью в несколько десятков лет. Эти циклы меридианальной, широтной циркуляции периодически сменяются с востока на запад, с севера на юг, а также в противоположных направлениях. С типами атмосферной циркуляции иногда связывают периоды одновременной активности многих видов животных, например, периоды вспышек массового размножения насекомых. Скорость и направление движения воздушных масс могут изменяться в зависимости от рельефа, времени суток и других факторов. Вертикальное дви­жение масс воздуха — сложный природный процесс, который может характеризоваться температурной стратификацией — изменением температуры воздуха с высотой.

Давление атмосферы. Нормальным считается давление 1кПа, соответствующее 750,1 мм рт.ст. В пределах земного шара существуют постоянно облас­ти низкого и высокого давления, причем в одних и тех же точках наблюдаются сезонные и суточные колеба­ния давления. Различают также морской и континентальный типы динамики давления. Периоди­чески возникающие области пониженного давления, характеризующиеся мощными потоками воздуха, стре­мящегося по спирали к перемещающемуся в пространстве центру, носят название циклонов. Цик­лоны отличаются неустойчивой погодой и большим количеством осадков.

Литосфера — это твердая внешняя оболочка Земли, земная кора.

Мощность Земной коры под океаном — 5 - 20 км; под континентом — 70 км. В литосфере выделяют массив горных пород, земную поверхность и почвы.

Почва — это рыхлый поверхностный горизонт суши, способный производить урожай растений. Важ­нейшее свойство почвы — ее плодородие, которое определяется физическими и химическими свойства­ми почвы. Почва — трехфазная среда, включающая твердые, жидкие и газообразные компоненты. Она представляет собой продукт физического, химическо­го и биологического преобразования горных пород, т.е. формируется в результате сложного взаимодействия климата, растений, животных и микроорганизмов. Сама почва постоянно развивается и изменяется, вслед­ствие чего существует большое разнообразие ее типов. В результате перемещения или превращения ве­щества почва расчленяется на отдельные слои, или горизонты, сочетание которых представляет профиль почвы. Во всех типах почв самый верхний горизонт имеет более или менее темный цвет, зависящий от количества органического вещества. Этот горизонт называется гумусовым или перегнойно-аккумулятив­ным. Он может иметь зернистую, комковатую или слоистую структуру. Избыток или недостаток гумуса определяет плодородие почвы, т.к. в нем осуществля­ются сложные обменные процессы, в результате которых образуются элементы питания растений. Выше гумусового горизонта иногда располагает­ся подстилка или дерн, состоящий из разлагающихся растительных остатков и способствующий накопле­нию влаги и питательных веществ в почве, а также влияющий на тепловой и воздушный режимы почвы. Под гумусовым горизонтом обычно залегает ма­лоплодородный подзолистый горизонт вымывания (в черноземных и темных почвах этот горизонт отсут­ствует). Еще глубже расположен иллювиальный горизонт (горизонт вмывания), в него вмываются и в нем накапливаются минеральные и органические вещества из вышележащих горизонтов. Еще ниже залегает материнская горная подстилающая порода, на которой формируется почва. Все горизонты представляют собой смесь органи­ческих и минеральных элементов. Свыше 50% минерального состава почвы прихо­дится на кремнезем ( Si0₂), около 1 - 25% — на глинозем ( Al₂O₃), 1 - 10% — на оксиды железа (Fe₂O₃), 0,1 - 5% — на оксиды магния, калия, фосфора, кальция (Mg0, К₂О, P₂0₅, Са0). Органические вещества, поступающие в почву с растительным опадом, включают углеводы (лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза), белковые ве­щества, жиры, а также конечные продукты обмена у растений — воск, смолы, дубильные вещества. Органи­ческие остатки в почве разрушаются (минерализуются) с образованием более простых (вода, диоксид углерода, аммиак и др.) веществ или превращаются в более сложные соединения — перегной, или гумус. Одна из наиболее важных характеристик почвы — ее механический состав, т.е. содержание частиц раз­ной величины. Установлены четыре градации механического состава: песок, супесь, суглинок и гли­на. От механического состава почвы зависят ее водопроницаемость, способность удерживать влагу, проникновение в нее корней растений и др. Кроме того, каждая почва характеризуется плотностью, тепловы­ми и водными свойствами. Большое значение для почвы имеет аэрация, т.е. ее насыщенность воздухом и способность к такому насыщению. Химические свойства почвы зависят от содержа­ния минеральных веществ, которые находятся в ней в виде растворенных ионов. Некоторые ионы являются для растений токсичными, другие — жизненно необхо­димыми. Концентрация ионов водорода (рН) в среднем близка к нейтральному значению. Флора таких почв особенно богата видами. В известковых (рН 8) и засо­ленных почвах (рН 4) развивается только специфическая растительность. Обитающее в почве множество видов растительных и животных организ­мов активно влияет на ее физико-химические характеристики.

Гидросфера — это водная оболочка Земли. К ней относят: поверхностные и подземные воды, прямо или косвенно обеспечивающие жизнедеятельность живых организмов, а также вода, выпадающая в виде осадков. Вода зани­мает преобладающую часть биосферы. Из 510 млн. км² общей площади земной поверхности на Мировой океан приходится 361 млн. км² (71%). Океан — главный приемник и аккумулятор со­лнечной энергии, поскольку вода обладает высокой теплопроводностью. Основными физическими свойствами водной сре­ды являются ее плотность (в 800 раз выше плотности воздуха) и вязкость (выше воздушной в 55 раз). Кроме того, вода характеризуется подвижностью в простран­стве, что способствует поддержанию относительной гомогенности физических и химических характерис­тик. Водные объекты характеризуются температурной стратификацией, т.е. изменением температуры воды по глубине. Температурный режим имеет существен­ные суточные, сезонные, годовые колебания, но в целом динамика колебаний температуры воды меньше, чем воздуха. Световой режим воды под поверхностью опреде­ляется ее прозрачностью (мутностью). От этих свойств зависит фотосинтез бактерий, фитопланктона, высших растений, а следовательно, и накопление органическо­го вещества, которое возможно лишь в пределах эвфотической зоны, т.е. в том слое, где процессы синтеза преобладают над процессами дыхания. Мутность и прозрачность зависят от содержания в воде взвешен­ных веществ органического и минерального происхож­дения. Из наиболее значимых для живых организмов абиотических факторов в водных объектах следует отметить соленость воды — содержание в ней растворен­ных карбонатов, сульфатов, хлоридов. В пресных во­дах их мало, причем преобладают карбонаты (до 80%). В океанической воде преобладают хлориды и отчасти сульфаты. В морской воде растворены практически все элементы периодической системы, включая металлы. Другая характеристика химических свойств воды связана с присутствием в ней растворенного кислорода и диоксида углерода. Особенно важен кислород, иду­щий на дыхание водных организмов. Жизнедеятельность и распространение организ­мов в воде зависят от концентрации ионов водорода (рН). Все обитатели воды — гидробионты приспособи­лись к определенному уровню рН: одни предпочитают кислую, другие — щелочную, третьи — нейтральную среду. Изменение этих характеристик, прежде всего в результате промышленного воздействия, ведет к гибе­ли гидробионтов или к замещению одних видов другими.

2. Трофические цепи и трофические сети.

Живые организмы, входящие в состав биоценоза в экосистеме, неодинаковы с точки зрения специфики ассимиляции ими вещества и энергии. В отличие от растений и бактерий животные не способны к реакци­ям фото- и хемосинтеза, а вынуждены использовать солнечную анергию опосредованно — через органичес­кое вещество, созданное фото- и хемосинтетиками. Таким образом, в биоценозе образуется цепочка после­довательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов к другим или так называемая трофическая цепь (от греческого “трофе” — питаюсь).

Поскольку растения строят свой организм без посредников, их называют самопитающимися, или автотрофами. Так как будучи автотрофами, они со­здают первичное органическое вещество из неорганического, они являются продуцентами. Организмы, которые не могут строить собственное вещество из минеральных компонентов, используют органику, созданную автотрофами, употребляя их в пищу. Их называют гетеротрофами, что означает “питаемый другими”, а также консументами (от лат. “консумо” — потребляю). Однако далеко не все организ­мы для удовлетворения своих физиологических потребностей ограничиваются потреблением растительной пищи, строя белки своего тела непосредственно из белков растений. Плотоядные животные используют животные белки со специфическим набором амино­кислот. Они тоже являются консументами, но, в отличие от растительноядных, — консументами вторичными, или второго порядка. Но и на этом трофическая цепь не всегда заканчивается, так как вторичный консумент может служить источником питания для консумента третьего порядка и т.д. Но в одной трофи­ческой цепи не бывает консументов выше пятого порядка вследствие рассеяния энергии.

В процессе питания на всех трофических уровнях появляются “отходы”. Зеленые растения ежегодно частично или полностью сбрасывают листья. Значи­тельная часть организмов по тем или иным причинам постоянно отмирает. В конечном итоге так или иначе созданное органическое вещество должно частично или полностью замениться. Эта замена происходит благодаря особому звену трофической цепи — редуцентами (от лат. “редукцио” — возврат). Эти организмы — преимущественно бактерии, грибы, простейшие, мел­кие беспозвоночные — в процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки всех трофических уровней продуцентов и консументов до минеральных веществ. Минеральные вещества, а также диоксид углерода, выделяющийся при дыхании редуцентов, вновь возвращаются к продуцентам.

Разные уровни питания в экосистеме называют трофическими уровнями. Первый трофический уровень образуют продуценты, второй — первичные консументы, третий — вторичные консументы и так далее. Многие животные питаются более, чем на одном трофическом уровне, поедая как растения, так и пер­вичных консументов или как первичных консументов, так и вторичных. Таким образом, в экологической системе компоненты биоценоза выполняют различные экологические роли: фитоценоз автотрофен и состоит из продуцентов, в биоценоз входят гетеротрофные консументы пяти уровней и редуценты, в составе микробиоценоза — автотрофные хемосинтетики и гете­ротрофные редуценты. Но все они представляют собой звенья трофических цепей.

Разные трофические цепи, в свою очередь, связа­ны между собой общими звеньями, образуя очень сложную систему, называемую трофической сетью.

Трофическая цепь в биогеоценозе есть одновре­менно цепь энергетическая, т.е. последовательный упорядоченный поток передачи энергии Солнца от продуцентов ко всем остальным звеньям. Поток энергии через экосистему можно измерить в различных ее точках, установив тем самым, какое количество солнечной энергии содержится в органи­ческих веществах, образованных в процессе фотосинтеза; какую часть энергии, заключенной в рас­тительном материале, может использовать растительноядное животное; какую часть этой энергии успевает использовать растительноядное, прежде, чем его съедает плотоядное, и так далее, от одного трофи­ческого уровня к другому.

3. Антропогенная деятельность как источник помех.

В настоящее время на Земле практически не осталось экологических систем, не подверженных в той или иной мере влиянию человека. Влияние чело­века на экосистемы в процессе техногенеза весьма интенсивно, поскольку своей деятельностью он создает направленные помехи в механизмах естественной об­ратной связи. Они отличаются от естественных помех и неявляются инструментом отбора, поскольку в процессе эволюции организмы к ним не приспособи­лись и приспособиться, как правило, не успевают, за исключением видов, дающих десятки поколений в год (например, растительноядные клещи при постоянном воздействии ядохимикатов способны образовывать невосприимчивые к токсическому воздействию расы за счет отбора особей, наследственно устойчивых к данному веществу, иначе говоря — мутантов).

Отклонение от нормы некоторых параметров сре­ды в результате антропогенного воздействия зачастую выходят за пределы, отвечающие нормам реакции организмов на эти параметры. Так, применение герби­цидов (веществ, уничтожающих сорняки) вносит помехи в биогеоценоз в целом. Трава, являю­щаяся и продуцентом, и средообразователем, и источником энергии для последующих трофических звеньев, погибает под воздействием гербицидов. С ее гибелью исчезают экологические ниши насекомых. Все это прямо сказывается на их популяциях: наруша­ется режим обитания, питания, часть особей погибает, а оставшаяся часть оказывается в условиях, неблагоп­риятных для размножения, и возможность свободного и случайного обмена генетической информацией (пан-миксия) становится ограниченной. Наконец, и на уровне отдельной особи происходят необратимые изменения: часть насекомых гибнет из-за ядовитости гербицидов, часть оказывается к ним толерантной, а у части отме­чаются изменения в хромосомах (мутации), меняющие наследственность. В рассмотренном примере наблюда­ются разрывы в каналах обратной связи при передаче информации от особи к популяции, а от нее к биоцено­зу.

Применение ядохимикатов создает так называе­мые частичные помехи, которые разрушают лишь отдельные звенья в отдельных трофических и энерге­тических цепях, не разрушая пищевых сетей в целом. К полной деградации всей экологической системы они обычно не приводят. Выброс в атмосферу ксенобиотиков (чуждых окружающей среде веществ) или превышение есте­ственного уровня некоторых компонентов атмосферы меняет соотношение газов воздуха и создает помехи реакциям фотосинтеза, а в некоторых случаях просто убивает листву. Повышение содержания в поч­ве индустриальных райнов марганца, хрома, никеля, меди, кобальта, свинца снижает первичную продук­тивность. Подобные помехи ведут к разрушению экосистемы в целом, так как уничтожается основной трофический уровень — биопродуценты. В этом случае говорят о предельных помехах. Вырубка леса или распашка целинной степи полностью ликвидируют экосистемы и в лучшем случае приводит к возникновению на их месте новых, а в худшем — к эрозии почв.

За разрушением экосистем в конечном итоге может последовать и разрушение биосферы в целом или резкое снижение ее продуктивности. Вырубка лесов, эрозия почв, замещение ландшафтов горными выработками и урбанизация снижают общую биомас­су фотосинтетиков и нарушают непрерывность биотического круговорота на значительных террито риях. Помехи могут действовать не только быстро, но и постепенно, прерывая поток информации между отдельными звеньями пищевых цепей. С экологических позиций антропогенное загрязнение окружающей среды представляет собой комплекс помех в экосистемах. Бездействующих на потоки энергии и информации в пищевых (энергетических) цепях. Эти помехи не являются периодическими и часто превышают нормы реакции живых организмов, поэтому в отличие от естественных помех они ведут не к естественному отбору, а к массовой гибели организ­мов.

Загрязнение среды — сложный многообразный процесс. Отходы производства оказываются обычно там, где их раньше не было. Многие из них химически активны и способны взаимодействовать с молекулами, входящими в состав тканей живого организма.

Непосредственными объектами загрязнения (ак­цепторами) служат основные компоненты биотопа (местообитание биотического сообщества): атмосфера, гидросфера, литосфера. Косвенными объектами за­грязнения (жертвами) являются составляющие биоценоза — растения, животные, микроорганизмы.

Источники загрязнения весьма разнообразны: среди них промышленные предприятия, теплоэнерге­тический комплекс, транспортные и бытовые отходы, отходы животноводства, а также химические вещест­ва, намеренно вносимые человеком в экосистемы для защиты от вредителей, болезней и сорняков.

Среди ингредиентов загрязнений — тысячи хими­ческих веществ, особенно металлы и оксиды, токсины, аэрозоли. Загрязнителем может быть любой физичес­кий агент, химическое вещество и биологический вид (микроорганизмы), попадающие в окружающую среду или возникающие в ней в количествах, выходящих за рамки своей обычной концентрации — предельных ес­тественных колебаний или среднего природного фона в рассматриваемое время.

Различают антропогенные загрязнители, разру­шаемые биологическими процессами и неразрушаемые ими (стойкие). Первые входят в естественные кругово­роты веществ и поэтому быстро исчезают или подвергаются разрушению биологическими агентами. Вторые не входят в естественные круговороты и накап­ливаются в пищевых цепях и в биотопах.

Загрязнение означает не просто внесение в атмосферу, почву и воду тех или иных чуждых им компонен­тов. В любом случае воздействию подвергается биогеоценоз в целом. Кроме того, избыток или недоста­ток одних веществ в природной среде или просто присутствие в ней других веществ означает изменение режимов экологических факторов или их составов, отклоняющихся от требований экологической ниши того или иного организма (или звена в пищевой цепи). При этом нарушаются процессы обмена веществ, сни­жается интенсивность ассимиляции продуцентов, а значит, и продуктивность биоценоза в целом.

Итак, загрязнение окружающей среды есть вне­сение в экологическую систему (биогеоценоз) не свойственных ей живых или неживых компонентов или структурных изменений, прерывающих кругово­рот веществ, их ассимиляцию, поток энергии, вследствие чего экосистема разрушается или снижает свою продуктивность.

Отрицательное влияние изменения качества внеш­ней среды на метаболизм живых организмов получило название “экологической ловушки”. Наиболее ярки­ми примерами являются воздействие на физиологические процессы в организме человека метилртути (болезнь “Минамата”), а также влияние некоторых пестицидов.

В свое время создание высокоэффективного ядо­химиката для борьбы с вредителями растений — дихлордифенилтрихлорэтана (ДДТ) — было отмечено Нобелевской премией, поскольку его применение су­лило реальную возможность сохранять урожайность агроценозов и лесные насаждения. Мировое производ­ство ДДТ в течение почти 30 лет достигало ежегодно 100 тыс.т. Препараты ДДТ создавали помехи в экосис­темах для экономически вредных консументов и защищали урожаи. Но и сам препарат, и некоторые его примеси помимо токсичности для теплокровных жи­вотных, способны прогрессивно накапливаться в звеньях пищевых цепей. При содержании в воде пре­парата ДДТ в дозировке 0,0014 частей на миллион его содержание в планктоне составляет уже 5,0 частей на миллион, а в мышцах рыб — 221 часть, т.е. при прохождении его по трофической цепи происходит концентрирование более чем в 10 тыс. раз! Когда этот факт был установлен, практически все страны мира (за исключением Китая и некоторых других развиваю­щихся стран) подписали Конвенцию о запрещении производства и применения ДДТ.

Последствия загрязнения далеко не всегда ощу­щаются сразу. Скачкообразным проявлениям загрязнения нередко предшествуют скрытые. Важна своевременная косвенная индикация загрязнения в начальные моменты его воздействия.

Загрязнение — это не только выброс в природную среду вредных веществ. При отводе воды от систем охлаждения в естественные водоемы происходит изме­нение естественного режима температуры, т.е. тепловое загрязнение. В качестве загрязнения можно рассмат­ривать и отклонение от оптимальных параметров уровней шума, освещенности, радиоактивности.

В качестве системы помех следует рассматривать разрушение биогеоценозов при открытой добыче пол­езных ископаемых, регулировании водотоков, осушении, эрозии почв. Источником помех являются шахтные отвалы и терриконы, в которых идут сложные физико-химические процессы с выделением вред­ных веществ в атмосферу, воду и почву. Среди загрязнений выделяют механическое, химическое, физическое, биологическое, микробиоло­гическое. Механическое заключается в засорении среды агентами, оказывающими лишь механическое воздей­ствие без физико-химических последствий; химическое — в изменении естественных химических свойств сре­ды, в результате которого повышается среднемноголетнее колебание количества каких-либо веществ для рассматриваемого периода времени, или проникновение в среду веществ, нормально отсутству­ющих в ней или в концентрациях, превышающих норму.

Загрязнение физическое подразделяют на:

• тепловое (термальное), возникающее в результате повышения температуры среды главным образом в связи с промышленными выбросами нагретого возду­ха, отходящих газов и воды;

• световое — нарушение естественной освещенности местности в результате воздействия искусственных источников света, приво­дящее к аномалиям в жизни животных и растений, или снижения уровня естественной освещенности из-за задымленности нижних слоев атмосферы;

• шумовое, образующееся в результате увеличения интенсивности и повторяемости шумов сверх природного уровня;

• электромагнитное, появляющееся в результате из­менения электромагнитных свойств среды (от линий электропередачи, радио и телевидения, работы некото­рых промышленных установок и т.п.), приводящее к глобальным и локальным геофизическим аномалиям и изменениям в биологических структурах;

• радиоактивное, связанное с превышением естественного уровня содержания в среде радиоактивных веществ.

Биологическое и микробиологическое загряз­нение возникает случайно или в результате хозяйственной деятельности человека.

Все эти различные по происхождению и характе­ру воздействия факторы имеют один объединяющий их признак: они являются помехами в экологических системах и популяциях и ведут к одному и тому же результату — снижению продуктивности популяции, затем экосистемы в целом, а далее — к их распаду.

Рассматривая процесс загрязнения в широком смысле, с позиций теории помех, его можно классифи­цировать следующим образом:

• ингредиентное загрязнение как совокупность веществ, количественно или качественно чуждых ес­тественным биогеоценозам;

• параметрическое загрязнение, связанное с из­менением качественных параметров окружающей среды;

• биоценотическое загрязнение, заключающееся в воздействии на состав и структуру популяций живых организмов;

• стациально-деструкционное загрязнение, представляющее собой изменение ландшафтов и эко­логических систем в процессе природопользования.

Последствия загрязнения среды кратко можно обозначить следующим образом:

Загрязнение среды есть процесс нежелатель­ных потерь вещества, энергии, труда и средств, приложенных человеком к добыче и заготовке сырья и материалов, превращающихся в безвозвратные отходы, рассеиваемые в биосфере.

Загрязнение имеет следствием необратимое разрушение как отдельных экологических систем, так и биосферы в целом, включая воздействие на физико-химические параметры среды.

Вследствие загрязнения теряются плодород­ные земли, снижается продуктивность экологических систем и биосферы в целом.

Загрязнение прямо или косвенно ведет к ухуд­шению физического и морального состояния человека как главной производительной силы общества.

Защита окружающей среды от загрязнения — одна из ключевых задач в общей проблеме оптимиза­ции природопользования, сохранения качества среды для настоящего и будущих поколений людей.

Воздействие человека на биосферу на всех этапах его взаимодействия с природой служило источником помех. Первоначально оно сводилось к воздействию человека как биологического вида; затем наступил период сверхинтенсивной охоты без изменения экосис­тем, сменившийся изменением экосистем через естественно идущие процессы — пастьбу, усиление роста трав путем их выжигания и т.п. На следующем этапе изменение экосистем интенсифицировалось путем рас­пашки и широкой вырубки лесов. Наконец, современный период характеризуется глобальным из­менением всех экологических компонентов биосферы в целом. Воздействие человека на биосферу сводится к четырем основным формам:

изменение структуры земной поверхности (рас­пашка степей, вырубка лесов, мелиорация, создание искусственных озер и морей и другие изменения режи­ма поверхностных вод и т.д.);

изменение состава биосферы, круговорота и баланса слагающих ее веществ (изъятие ископае­мых, создание отвалов, выброс различных веществ в атмосферу и водные объекты, изменение влагооборота);

изменение энергетического, в частности, тепло­вого баланса отдельных районов земного шара и всей планеты;

изменения, вносимые в биоту в результате истребления некоторых видов, создание новых пород животных и сортов растений, перемещение их на новые места обитания.

В настоящее время человек эксплуатирует более 55% суши, использует около 13% речных вод, сводит леса в среднем до 18 млн.га в год. В результате застройки, горных работ, опустынивания и засоления теряется от 50 до 70 тыс.км² земель в год, при этом 15% всей мировой суши уже деградировало из-за вмешательства человека. При строительных и горных работах перемещается более 4 тыс.км³ породы в год, извлекается из недр Земли ежегодно 100 млрд.т руды, сжигается 7 млрд.т услов­ного топлива, выплавляется более 800 млн.т различных металлов, рассеивается на полях свыше 500 млн.т минеральных удобрений и более 4 млн.т ядохимика­тов, треть которых смывается поверхностными стоками в водоемы или задерживается в атмосфере. В настоящее время в практике используется до 500 тыс. химичес­ких соединений, из них около 40 тыс. обладают вредными для человека свойствами, а 12 тыс. токсич­ны.

Несовершенство современной технологии не поз­воляет полностью перерабатывать минеральное сырье. Большая его часть возвращается в природу в виде отходов. Готовая продукция составляет всего лишь 1 - 2% от используемого сырья, а все остальное идет в отходы, что свидетельствует о неразумном подходе к природным ресурсам. Ежегодно в биосферу поступает более 30 млрд.т отходов: бытовых и промышленных, жидких, твердых и газообразных, загрязняющих ат­мосферу, гидросферу и литосферу.

4. Кислотные дожди.

Сера — это важный биофильный элемент. В живот­ных тканях она находится в составе белков и аминокислот, а в растительных — в составе эфирных масел.

Основным природным источником серы служат вулканы, с выбросами которых в атмосферу поступа­ют диоксид серы, сероводород и элементная сера общим количеством 4 - 16 млн.т (в пересчете на диоксид серы). Кроме того, сероводород является продуктом жизнеде­ятельности бактерий - хемосинтетиков, обитающих на суше и в океане. В виде сульфат-иона сера содержится в природных водах, средняя его концентрация состав­ляет 2,65 мг SO₄/1 г Н₂0. В составе многих минералов (уголь, нефть, железные, медные и другие руды) неор­ганическая сера встречается в земной коре.

В атмосфере соединения серы претерпевают целый ряд превращений (см рисунок ниже). Сероводород последо­вательно, в ряд ступеней, окисляется до диоксида серы, который, в свою очередь, тоже окисляется до серного ангидрида в результате фотохимического и радикального механизмов его взаимодействия с ком­понентами атмосферы, причем эти процессы существенно ускоряются в присутствии оксидов азота или углеводородов, а также оксидов железа, алюми­ния, хрома и других металлов. Атмосферная влага тоже способствует окислению диоксида в триоксид: в дождливую или туманную погоду время существова­ния атмосферного диоксида серы не превышает 50 - 60 мин.

Триоксид серы легко взаимодействует с частица­ми атмосферной влаги и образует растворы серной кислоты. Реагируя с аммиаком или ионами металлов, присутствующими в атмосферной влаге, серная кисло­та частично переходит в соответствующие сульфаты. В основном это сульфаты аммония, натрия, кальция. Образование сульфатов происходит и в процессе окис­ления на поверхности твердых частиц, взвешенных в воздухе. Образовавшиеся сульфаты сохраняются в ат­мосфере не более 5 дней.

Значительная часть соединений серы оседает на землю с атмосферными осадками. Таким образом, из атмосферы сера снова попадает в гидросферу и в почву. Дождевая вода всегда имеет более кислую реакцию, чем поверхностные воды, ее рН составляет 5,6. В естественном цикле подобным путем обеспечивается необходимое подкисление почвы и почвенных раство­ров, позволяющее трансформировать минеральные питательные вещества в доступную для растений рас­творимую форму. Однако уже к 1976 г. 65% всех поступлений серы в атмосферу имело антропогенное происхождение, из них 95% приходилось на диоксид серы. Таким обра­зом, поступление серы из природных источников было превышено более чем в два раза. Сернистый ангидрид в промышленности образуются при сжигании угля и нефти и при обжиге сульфидных руд меди, никеля, свинца, цинка. Соединения серы содержатся и в вы­бросах автотранспорта.

В первые моменты после выброса диоксида серы в атмосфере практически отсутствуют частицы серной кислоты и сульфатов. Со временем доля SO₂ в воздухе уменьшается, одновременно растет доля серы в виде серной кислоты и сульфатов. Количество серной кислоты в атмосфере достигает максимума спустя 10 часов после выброса, а сульфатов — через 30 - 40 часов.

В северном полушарии выбросы SO₂ оцениваются в 136 млн.т в год, в южном — 10 млн.т в год. Повышение содержания диоксида и триоксида серы в атмосфере привело к появлению кислотных дождей (рН около 4). Кислотный дождь — одна из наиболее тяжелых форм загрязнения окружающей среды. Максимальный от­рицательный эффект кислотные дожди и газовые выбросы наносят атмосфере, а через нее — флоре и фауне. Этим же путем загрязняются водоемы. Под воздействием кислотных дождей закисляются почвы, что приводит к нарушению ионообменных процессов и буферных свойств почвы. Помимо этого в закисленной почве облегчается переход металлов из почвы в раство­ренную форму, доступную для растений, таким образом растения могут с почвенными растворами получать токсичные для них и большинства живых организмов металлы — цинк, железо, марганец, алюминий. Этим же путем интенсифицируется процесс выделения в почве сероводорода, токсичного для растений и микро­организмов.

5. Оценка загрязнения воздушного бассейна.

Для оценки загрязнения воздушного бассейна необходимо рассчитать фактор опасности загрязнения, который рассчитывается по формуле:

,

где

j — фактор опасности загрязнения,

C_i — физическая концентрация загрязняющего вещества (мл г/м³),

ПДК — предельно допустимая концентрация вещества; верхний предел лимитирующий факторы среды, при которых их содержание не выходит за допустимые пределы экологической ниши человека, т.е. концентрация, которую может человек переносить без ущерба для здоровья. Значения ПДК утверждаются законодательно.

Если j больше 1, то существует опасность загрязнения воздушного бассейна.

Если j меньше либо равно 1, то фактическая концентрация загрязняющих веществ не превышает установленных нормативов.

Для специально охраняемых территорий j не должно превышать 0.8.

Т.к. на организм действует не одно, а несколько веществ, то говорят об эффекте суммации:

При оценки опасности загрязнения следует учитывать фоновую концентрацию — это загрязняющие вещества от других источников:

,

где

С_фi — фоновая концентрация.

Одним из факторов, который влияет на загрязнение воздушного бассейна, является перенос и рассеивание загрязняющих веществ в атмосфере.

На рассеивание влияют скорость и направление ветра, температурная стратификация атмосферы, температура воздуха в момент выброса, осадки и др. факторы.

Наиболее важная характеристика атмосферы — устойчивость. Устойчивость — это способность препятствовать вертикальным движениям и сдерживать турбулентность. В этом случае загрязняющие вещества, выброшенные вблизи поверхности, будут задерживаться в местах выброса.

Устойчивость зависит от изменений температуры воздуха с высотой — температурной стратификацией.

Выделяют три типа состояния атмосферы:

Безразличная — изменение температуры на 1⁰ на каждые 100 м.

Неустойчивая — падает более чем на 1⁰ на каждые 100 м.

Устойчивая — менее чем на 1⁰ на каждые 100 м. Это состояние наименее благоприятное для интенсивного рассеивания.

При оценки рассеивания загрязняющих веществ температурная стратификация учитывается с помощью коэффициента А, который изменяется от 140 до 250 для различных районов.

На распространение оказывает влияние температура атмосферы в момент выброса, t_ГВС.

По этому признаку все выбросы делят на “холодные” и “горячие”.

“Холодные” — если разница между температурой выброса и температурой атмосферы приблизительно равна нулю, .

“Горячие” — если разница между температурой выброса и температурой атмосферы больше нуля, .

На распространение загрязняющих веществ влияет скорость ветра. “Опасная” скорость ветра определяется конкретным источником, чем меньше скорость ветра, тем она опасней.

Каждый источник выброса характеризуется определенными параметрами:

Объем газовоздушной смеси — V [m³/c]:

,

где

D — диаметр источника [m].

Скорость выхода смеси — W [m/c].

Температура смеси — t [⁰C].

Интенсивность выброса смеси — M [г/с].

Высота источника — H [m].

Диаметр устья источника — D [m].

“Опасная” скорость ветра, U_m, определяется через безразмерную величину , причем для “горячих” и “холодных” источников по разным формулам.

Для “горячих” выбросов:

.

В соответствии с определяют U_m:

U_m=0,5 м/с, при ;

U_m= м/с, при ;

U_m= м/с, при , где

.

Для “холодных” выбросов:

.

В соответствии с определяют U_m:

U_m=0,5 м/с, при ;

U_m= м/с, при ;

U_m= м/с, при .

Для определения фактора опасности загрязнения j необходимо определить максимальную концентрацию загрязняющего вещества в приземном слое C_max:

, где

A — коэффициент температурной стратификации;

M — интенсивность выброса;

F — безразмерный коэффициент, учитывающий скорость оседания вредных веществ в воздухе, который определяется как:

F=1, для газообразных примесей

F=2, для мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки 90%

F=2,5, для мелкодисперсных аэрозолей при степени очистки от 90% до 75%

F=3, при отсутствии очистки или степени очистки менее 75%;

H — высота источника;

V — объем газовоздушной смеси;

— разность температур;

m и n — коэффициенты, учитывающие условия выхода газовоздушной смеси, которые рассчитываются следующим образом:

m при f<100 ,

при f100 ;

n=1 при ,

при ,

при .

Для оценки опасности загрязнения необходимо рассчитать C_max, максимальную концентрацию загрязняющего вещества в приземном слое, для каждого загрязняющего вещества и сопоставить их с соответствующими ПДК:

.

Для двух источников рассчитывают C_max для каждого из источников.

Если опасность загрязнения j больше единицы, то необходимо рассчитать ПДВ (предельно допустимый выброс):

, где

изменяется от единицы до четырех, в зависимости от местности, где произошел выброс.

Если компоненты обладают эффектом суммации, то следует определить опасность загрязнения с учетом этого эффекта.

Для этого необходимо определить расстояние X_max от источника, на котором будет образовываться C_max:

, где

F — коэффициент осаждения;

H — высота источника;

d — параметр, учитывающий условия выброса:

.

В точке X_max2 C_max будет увеличиваться на некоторую величину от первого источника. Установить эту величину можно с помощью коэффициента S, его определяют по графику в соответствии с величиной , для X_max1, где a — расстояние между источниками. Тогда опасность загрязнения для X_max1 пересчитывается по следующей формуле:

, где C₂=S₂*C_max2.

Как уже было сказано ранее S₂ определяется по графику.

Для X_max2: C₁=S₁*C_max1, где S₁ определяют по графику исходя из параметра и соответственно .

6. Подготовка воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения.

При расположении промышленных предприятий в го­родах или вблизи них, а также при решении о совместной очистке сточных вод группы предприятий промышленной зоны и близлежащего жилого массива загрязненные производственные воды могут сбрасываться в городскую водоотводящую сеть. Очистка смеси бытовых и производст­венных сточных вод в этом случае осуществляется на единых очистных сооружениях. В связи с тем что в сточ­ных водах промышленных предприятий могут содержать­ся специфические загрязнения, их спуск в городскую водоотводящую сеть ограничен комплексом требований, установленных “Правилами приема производственных сточных вод в системы канализации населенных пунк­тов” (М., ЛКХ, 1987).

Выпускаемые в водоотводящую сеть производствен­ные сточные воды не должны: превышать расходы сточных вод и содержание взве­шенных, всплывающих веществ, установленные для кон­кретного промышленного предприятия; нарушать работу сетей и сооружений; содержать вещества, которые способны засорять тру­бы водоотводящих сетей или отлагаться на стенках труб: оказывать разрушающее действие на материал труб и элементы очистных сооружений; содержать горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопас­ные смеси в водоотводящих сетях и очистных сооруже­ниях; содержать вредные вещества в концентрациях, пре­пятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоем (с учетом эффективности очистки); иметь температуру выше 40°С; иметь рН за пределами 6,5 - 9; содержать опасные бактериальные загрязняющие ве­щества; иметь ХПК, превышающую БПК_полн более чем в 1,5 раза.

Производственные сточные воды, не удовлетворяющие указанным требованиям, должны подвергаться предва­рительной очистке. Степень этой очистки должна быть согласована с организациями, проектирующими очистные сооружения населенного пункта.

Объединение сточных вод, способных вступать в хи­мические реакции с выделением ядовитых или взрыво­опасных газов и образовывать эмульсии, а также имею­щих большое количество нерастворенных веществ, не допускается. Запрещаются залповые сбросы сильноконцентрированных производственных сточных вод. При значительных колебаниях их состава в течение суток необходимо предусматривать емкости — усреднители, обес­печивающие равномерный выпуск воды.

Сточные воды, в которых могут содержаться радио­активные, токсичные и бактериальные загрязнения, пе­ред выпуском в городскую водоотводящую сеть должны быть обезврежены и обеззаражены. Выпуск концентри­рованных маточных и кубовых растворов непосредствен­но в водоотводящую сеть запрещается. Незагрязненные сточные воды принимают в городскую сеть в тех случаях, когда необходимо разбавление сильноконцентрирован­ных загрязненных стоков. Ограничение приема незагряз­ненных сточных вод обусловлено нецелесообразностью перегрузки городской сети водой, которая не требует очи­стки и может быть использована на производстве или спущена в водосточную сеть. При наличии в производст­венных сточных водах только минеральных загрязнений выпуск этих вод в городские коллекторы также нецеле­сообразен, так как после локальной обработки эти воды могут быть использованы в производстве или выпущены в водоем.

Во избежание коррозии водоотводящих коллекторов и очистных сооружений или нарушения процессов биоло­гической очистки кислые и щелочные производственные сточные воды при спуске в водоотводящую сеть следует либо нейтрализовать, либо усреднять.

Для обеспечения нормальной работы городских очи­стных сооружений при совместной очистке производствен­ных и бытовых сточных вод необходимо соблюдать ряд условий. Очищаемая смесь этих сточных вод в любое время суток не должна иметь: температуру ниже 6 и вы­ше 30°С; активную реакцию среды ниже 6,5 и выше 8,5; общую концентрацию растворенных солей более 10 г/л; нерастворенных масел, смол, мазута; биологически трудноокисляемых органических веществ и “жестких” ПАВ; концентрацию вредных веществ, превышающую предельно допустимую концентрацию (ПДК); веществ, для которых не установлены ПДК в воде водоемов, и др.

Допустимое содержание органических веществ, оцени­ваемых по ВПК, должно определяться расчетом. При этом ВПК производственных сточных вод не должна при­водить к превышению БПК сточных вод, принятой при проектировании очистных сооружений. Допустимые концентрации веществ, не удаляемых на очистных соору­жениях, должны определяться исходя из их ПДК в воде водоемов.

ХПК при совместной биологической очистке производ­ственных и бытовых сточных вод не должна превышать БПК_полн более чем в 1,5 раза. Минимальное содержание биогенных элементов в смеси определяется из соотношения 100 : 5 : 1 (БПК_полн: аммонийный азот : фосфор). Ес­ли это соотношение не выдерживается, то перед сооруже­ниями биологической очистки в сточные воды необходимо вводить дополнительное количество биогенных эле­ментов в виде растворов аммиачной воды, фосфорнокис­лого калия и др.

При совместной биологической очистке производствен­ных и бытовых сточных вод механическая очистка мо­жет быть как раздельной, так и совместной. Раздельную механическую очистку следует принимать для взрывоопасных производственных сточных вод. При необходимости химической или физико-химической очистки производственных сточных вод, а также при раздельной об­работке осадков производственных и бытовых сточных вод также применяется раздельная механическая очи­стка. Расчет сооружений биологической очистки следует производить по сумме органических загрязнений, выра­женных БПК_полн. Состав сооружений должен выбираться в зависимости от характеристики и количества поступа­ющих на очистку сточных вод, требуемой степени их очистки, метода использования осадка и местных усло­вий.

Кроме того сточные воды влияют на водоемы, которые используются для хозяйственных нужд. Природный химический состав и свойства воды поверх­ностных водоемов формируются в зависимости от гидрогеологических, почвенных, климатических и других осо­бенностей района расположения. Естественный характер изменения состава воды связан с сезонными колебаниями гидрометеоусловий и интенсивности биологических про­цессов.

Существующую роль в ухудшении качества воды иг­рает хозяйственная деятельность человека, а именно свя­занное с ней загрязнение природных водоемов сточны­ми водами. Особенно опасен сброс производственных сточных вод, а также поступление в водоемы с террито­рий городов и населенных пунктов с развитой промыш­ленностью талых и дождевых вод, содержащих различ­ные токсичные вещества (металлы, нефтепродукты и дру­гие трудноокисляемые органические вещества), в результате чего вода водоема может стать непригодной для водопользования.

Концентрации загрязнений, содержащихся в поверх­ностном стоке с территорий промышленных предприятий, по величине сравнимы с содержанием загрязнений в про­изводственных сточных водах. Источниками загрязнения поверхностного стока являются выбросы в атмосферу от промышленных предприятий и загрязненность их терри­торий. Особенно высокие концентрации загрязняющих веществ в поверхностном стоке характерны для авто­транспортных, химических, машиностроительных и нефтеперерабатывающих предприятий. Степень загрязнен­ности поверхностного стока во многом зависит от культуры производства — характера технологических процессов и повторного использования воды, применяемо­го оборудования, организации улавливания выбросов, пылеулавливания, организации складирования.

Для поверхностных водоемов, расположенных вблизи крупных промышленных населенных пунктов, где про­изводственные сточные воды и поверхностный сток очи­щаются недостаточно, характерно ухудшение качества во­ды водоема в черте населенного пункта. Анализируя дан­ные химического состава воды реки, протекающей по территории крупного промышленного города, можно наблюдать отчетливую тенденцию увеличения об­щей минерализации воды и содержания в ней трудноокисляемых органических веществ, аммонийного азота, хло­ридов и сульфатов (см. таблицу ниже). Наибольшее количество загрязняющих веществ содержится в речной воде ниже промышленных зон. По мере продвижения речной воды по городу возрастает содержание в ней компонентов про­изводственных сточных вод, например различных метал­лов, концентрации которых выше вблизи промышленных зон.

Содержание веществ в речной воде в черте города, мг/л.

Показатели	Значения показателей в пунктах отбора проб (створах)
1	2	з
Взвешенные вещества	3,3	9,7	19,2
Сухой остаток	237	260	415
БПКз	2,3	2,6	4,1
ХПК	21	27	33
Азот аммонийный	0,8	1,6	1,9
Хлориды	17	22	46
Сульфаты	29	38	49
Железо	0,31	0,35	0,64
Марганец	0,05	0,05	0,07
Цинк	0,04	0,05	0,06
Медь	0,02	0,02	0,02
Стронций	0,31	0,41	0,52

Приведенные примеры изменений химического соста­ва речной воды в городской черте свидетельствуют о боль­шом и неблагоприятном влиянии на него города вследствие выпусков недостаточно очищенных производст­венных сточных вод и поступления поверхностного стока с территорий промышленных предприятий. Поверхност­ный сток с городских территорий — это дождевой сток, паводковые воды, снегосвал и поливомоечные воды. Все компоненты поверхностного стока несут в водоемы за­грязнения.

Например, в сухой период года речная вода содержит меньше различных загрязняющих веществ, чем во время дождя. В дождь в реку поступают стоки с различных тер­риторий и в потоке речной воды увеличивается содержа­ние взвешенных веществ, азота аммонийных солей, био­логически разрушаемых и трудноокисляемых органичес­ких веществ (см. таблицу ниже).

Содержание веществ в потоке речной воды в сухой период и после дождя, г/с

Показатели	Значения показателей в пунктах отбора проб (створах)
1	2	3
в сухой период	после дождя	в сухой период	после дождя	в сухой период	после дождя
Взвешенные вещества	197	1166	298	1933	1180	5024
БПК	91	405	146	393	302	629
ХПК	1002	1410	1188	1582	2371	3409
Азот аммонийный	18	34	26	34	51	129

В пунктах, расположенных ниже промышленных зон в городе, это увеличение количества загрязнений в потоке воды особенно заметно. Снег, выпадающий в городе, аккумулирует значитель­ное количество загрязнений, в том числе компонентов промышленного происхождения. В связи с этим свал сне­га с улиц в реку, а также поступление в нее талых вод являются существенными источниками загрязнения реч­ной воды взвешенными веществами, нефтепродуктами, трудноокисляемыми органическими веществами. Снегосвал и талые воды вносят больше загрязнений, чем дож­девые стоки:

Количество веществ, вносимое в реку в весенний период, г в 1 с

Показатели	Значения показателей в пунктах отбора (створах)
1	3
талые воды	снег	талые воды	снег
Взвешенные вещества	2000	8400	7800	600
ХПК	2600	3400	2200	1200
Азот аммонийный	70	60	40	20
Нефтепродукты	—	200	180	20

В таблицах даны показатели количества загряз­няющих веществ в конкретном створе реки. Для опре­деления концентрации загрязнений необходимо знать расход воды в реке.

Таким образом, совершенно очевидно, что для пре­дотвращения загрязнения поверхностных водоемов про­изводственными сточными водами и поверхностным сто­ком с производственных территорий необходима эффек­тивная очистка стоков от всех вредных веществ, способ­ных сделать воду поверхностных водоемов непригодной для различных целей водопользования. Для сохране­ния качества воды поверхностных водоемов разработа­ны условия выпуска производственных сточных вод. Об­щие условия выпуска сточных вод любой категории в поверхностные водоемы определяются хозяйственной зна­чимостью и характером водопользования. После выпуска сточных вод допускается некоторое изменение состава воды в водоемах, однако это не должно заметно отра­жаться на его жизни и возможностях дальнейшего ис­пользования в качестве источника водоснабжения, для культурных и спортивных мероприятий, рыбохозяйственных целей.

Условия выпуска производственных сточных вод в во­доемы регламентируются “Правилами охраны поверх­ностных вод от загрязнения сточными водами” и “Прави­лами санитарной охраны прибрежных районов морей” Министерства здравоохранения СССР, содержащими указания по предотвращению и устранению загрязнения производственными сточными водами поверхностных во­доемов — рек, озер, искусственных каналов, водохрани­лищ и морей.

Наблюдение за санитарным состоянием водоемов и соблюдением условий выпуска производственных сточ­ных вод осуществляется санитарно-эпидемиологическими станциями и бассейновыми управлениями. Порядок осуществления контроля качества воды по­верхностных водоемов определяется сезонными колеба­ниями состава воды и характером их хозяйственного ис­пользования. Контроль заключается в периодических комплексных обследованиях водоемов и в химических, микробиологических и гидробиологических анализах об­разцов воды. Число пунктов отбора и количество отоб­ранных проб определяется в соответствии с гидрологиче­скими особенностями водоема и расположением источни­ков загрязнения.

В отобранных образцах воды определяются следую­щие показатели: температура, прозрачность, запах, рН, содержание взвешенных веществ и их зольность, сухого остатка и его зольность, жесткость, щелочность, содер­жание растворенного кислорода, окисляемость, БПК, ХПК, содержание общего железа, кальция, азота, аммо­нийных солей, нитритов, нитратов, сульфатов, фосфатов, хлоридов. Кроме того, в соответствии с местными услови­ями производится анализ на содержание специфических компонентов производственных сточных вод — металлов, нефтепродуктов, пестицидов.

Микробиологические и гидробиологические анализы дополняют данные о химическом составе и характеризу­ют степень эпидемиологической опасности и эффект воз­действия сбросов производственных сточных вод на эко­систему водоемов. Содержание вредных веществ в воде водоемов и в производственных стоках нормируется на основе опреде­ления предельно допустимых концентраций (ПДК) — ос­новного гигиенического критерия качества воды водоемов, используемого органами Государственного контро­ля. ПДК — это максимальные концентрации, при кото­рых вещества не оказывают прямого или опосредован­ного влияния на состояние здоровья населения и не ухуд­шают гигиенических условий водопользования.

ПДК устанавливаются на основе определения влия­ния веществ на организм человека с учетом различных признаков вредности (токсичности, изменения органолептических свойств воды и санитарного режима водоемов). ПДК для используемого вещества устанавливается по то­му признаку вредности, при котором концентрация этого вещества наименьшая, и этот признак устанавливается для данного вещества лимитирующим.

В нашей стране ПДК приняты как основной норматив, слу­жащий для предупредительного и текущего санитарного надзора. Соблюдение этого норматива на практике спо­собствует сохранению воды поверхностных водоемов, при­годной для быта и отдыха населения. Это — основной критерий эффективности разрабатываемых и проводимых водоохранных мероприятий, основа расчета предельно допустимого сброса предприятий (ПДС), основа прогно­за качества воды при развитии промышленности в новых осваиваемых районах.

Нормативные качества воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Пра­вила устанавливают нормативы качества воды для водо­емов по двум видам водопользования: к первому виду относятся участки водоемов, используемые в качестве источника для централизованного или нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также для водоснабжения предприятий пищевой промышленности; ко второму виду — участки водоемов, используемые для ку­пания, спорта и отдыха населения, а также находящиеся в черте населенных пунктов.

Отнесение водоемов к тому или иному виду водополь­зования производится органами Государственного сани­тарного надзора с учетом перспектив использования водо­емов. Приведенные в правилах нормативы качества воды во­доемов относятся к створам, расположенным на проточных водоемах на 1 км выше ближайшего по течению пун­кта водопользования (водозабор для хозяйственно-питьевого водоснабжения, места купания и организованного отдыха, территория населенного пункта и т.д.), а на непроточных водоемах и водохранилищах на 1 км в обе стороны от пункта водопользования.

Для каждого из двух видов водопользования прави­лами установлены приведенные ниже показатели состава воды водоема в пунктах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

Растворенный кислород. В воде водоема (после сме­шения с ней сточных вод) количество растворенного кис­лорода не должно быть менее 4 мг/л в любой период года в пробе, отобранной до 12 ч дня.

Биохимическая потребность в кислороде. Полная потребность воды в кислороде при температуре 20°С не должна превышать 3 и 6 мг/л для водоемов соответственно первого и второго вида, а также морей.

Взвешенные вещества. Содержание взвешенных ве­ществ в воде водоема после спуска сточных вод не дол­жно увеличиваться более чем на 0,25 и 0,75 мг/л для во­доемов соответственно первого и второго вида. Для водо­емов, содержащих в межень более 30 мг/л природных минеральных веществ, допускается увеличение концент­рации взвешенных веществ в воде до 5%. Сточные воды, содержащие взвешенные вещества со скоростью осаж­дения более 0,4 мм/с для проточных водоемов и более 0,2 мм/с для водохранилищ, спускать запрещается.

Запахи и привкусы. Вода не должна приобретать за­пахов и привкусов интенсивностью более 3 баллов для морей и 2 баллов, обнаруживаемых для водоемов перво­го вида непосредственно или при последующем хлориро­вании и для водоемов второго вида непосредственно. Вода не должна сообщать посторонних запахов и привку­сов мясу рыбы.

Окраска. В столбике воды высотой 20 см для водоемов первого вида и 10 см для водоемов второго вида и морей окраска не должна обнаруживаться.

Реакция воды. После смешения со сточными водами реакция воды водоема должна быть 6,5рН8,5.

Ядовитые вещества. Концентрация ядовитых веществ не должна оказывать прямое или косвенное вредное дей­ствие на здоровье населения.

Плавающие примеси. Сточные воды не должны содержать минеральных масел и других плавающих веществ в таких количествах, которые способны образовать на поверхности водоема пленки, пятна и скопления.

Возбудители заболеваний. В воде водоемов не дол­жно быть возбудителей заболеваний. Сточные воды, со­держащие возбудители заболеваний, должны подвергать­ся обеззараживанию после предварительной очистки. Методы обеззараживания биологически очищенных сточ­ных вод должны обеспечивать коли-индекс не более 1000 при содержании остаточного хлора не менее 1,5 мг/л. Коли-индекс для морской воды должен быть согласован с органами Государственного санитарного надзора.

Минеральный состав. Для водоемов первого вида ми­неральный состав не должен превышать по плотному ос­татку 1000 мг/л, в том числе хлоридов 350 мг/л и сульфа­тов 500 мг/л, а для водоемов второго вида состав норми­руется по приведенному выше показателю “Привкусы”.

Температура. В результате спуска в водоем сточных вод температура воды в нем не должна повышаться ле­том более чем на 3° по сравнению со среднемесячной температурой воды самого жаркого месяца года за пос­ледние 10 лет.

Нормативы качества воды водоемов, используемых в рыбохозяйственных целях. Эти нормативы установлены применительно к двум видам водопользования: к перво­му виду относятся водоемы, используемые для воспроиз­водства и сохранения ценных сортов рыб; ко второму — водоемы, используемые для всех других рыбохозяйст­венных целей. Вид рыбохозяйственного использования во­доема определяется органами Рыбоохраны с учетом пер­спективного развития рыбного хозяйства и промысла. Нормативы состава и свойств воды водоемов, исполь­зуемых для рыбохозяйственных целей, в зависимости от местных условий могут относиться к району выпуска сточных вод при быстром смешении их с водой водоема или к району ниже выпуска сточных вод с учетом возмож­ной степени их смешения и разбавления на участке от места выпуска до ближайшей границы рыбохозяйствен­ного участка водоема. На участках массового нереста и нагула рыб выпуск сточных вод не разрешается. При выпуске сточных вод в рыбохозяйственные водоемы предъявляются более высокие требования, чем при выпуске сточных вод в водоемы, используемые для питье­вых и культурно-бытовых нужд населения.

Растворенный кислород. В зимний период количество растворенного кислорода не должно быть ниже 6 и 4 мг/л для водоемов соответственно первого и второго вида, в летний период — не ниже 6 мг/л в пробе, отобранной до 12 ч дня для всех водоемов.

Биохимическая потребность в кислороде. БПК_полн при температуре 20 °С не должна превышать 3 мг/л в водо­емах обоих видов. Если в зимний период содержание ра­створенного кислорода в воде водоемов первого и вто­рого вида водопользования снижается соответственно до 6 и 4 мг/л, то можно допустить сброс в них только тех сточных вод, которые не изменяют ВПК воды.

Ядовитые вещества. Концентрация ядовитых веществ не должна оказывать прямое или косвенное вредное дей­ствие на рыб и водные организмы, служащие кормом для рыб.

Температура. В результате спуска в водоем сточных вод температура воды в нем не должна повышаться в лет­ний период более чем на 3°, а в зимний более чем на 5°. Следует учитывать, что с повышением температуры вос­приимчивость организмов к токсичным веществам увеличивается.

Предельно допустимые концентрации радиоактивных веществ в воде водоемов регламентируются “Санитар­ными правилами работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений”.

Большое внимание в последние годы уделяется вопро­сам предупреждения и устранения загрязнений прибреж­ных районов морей. Нормативы качества морской воды, которые должны быть обеспечены при спуске сточных вод, относятся к району водопользования в отведенных границах и к створам на расстоянии 300 м в сторону от этих границ. При использовании прибрежных районов морей в ка­честве приемника производственных сточных вод содер­жание вредных веществ в морях не должно превышать ПДК, установленные по санитарно-токсикологическому, общесанитарному и органолептическому лимитирующим показателям вредности. При этом требования к спуску сточных дифференцированы применительно к характеру водопользования. Море рассматривается не как источник водоснабжения, а как лечебный, оздоровительный, культурно-бытовой и гигиенический фактор. Правила относятся не к морю вообще, а к только к тем прибрежным его районам, которые предназначены для лечения, отдыха, купания, спортивных мероприятий и находятся в пределах границ населенных пунктов, санаториев, домов отдыха, туристических баз и пр.

Состав и свойства воды поверхностных водоемов в пунктах хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования не должны превышать нормативы, изложенные в приложении 1 к “Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами” и в переч­не “Предельно допустимые концентрации (ПДК) и ори­ентировочно безопасные уровни воздействия (ОБУВ) вредных веществ в воде водоемов хозяйственно-питьево­го и культурно-бытового водопользования” (1983).

Основы нормирования в санитарной охране водоемов базируются на ПДК отдельных вредных веществ, посту­пающих в водоемы со сточными водами. Практически же в их составе после соответствующей очистки при спуске в водоемы содержатся десятки различных вредных ве­ществ, совместное присутствие которых может взаимно усиливать вредное воздействие.

С. Н. Черкинским была предложена методика расчета условий спуска производственных сточных вод при совместном присутствии в них нескольких вредных веществ. В соответствии с этой методикой сумма концентраций всех веществ (нормируемых по одному признаку вредности), выраженных в долях от соответствующих ПДК для каждого вещества в отдельности, не должна превы­шать единицы.

В соответствии с новыми разработками ПДК и ОБУВ лимитирующий признак вредности учи­тывается при совместном содержании нескольких вредных веществ в воде. В случае присутствия в воде веществ 1-го и 2-го класса опасности рассчитывается суммарный показатель (по методике С.Н. Черкинского) по формуле:

или

,

где С₁, С₂, …, С_i — концентрации веществ 1-го и 2-го класса опасно­сти в воде водоема;

С_1п.д., С_2п.д., ..., С_iп.д. — ПДК, установленные для соответствующих веществ в воде водоема.

Если при расчете условие формулы не соблюда­ется, то санитарное состояние водоема не удовлетворяет нормативным требованиям и необходимо осуществить мероприятия по повышению эффективности очистки про­изводственных сточных вод перед их спуском в водоем.

Все расчеты по определению условий спуска сточных вод в водоем следует производить для самых невыгод­ных гидрологических условий: для незарегулированных рек — на средний расход наиболее маловодного месяца гидрологического года 95%-ной обеспеченности;

для нижних бьефов зарегулированных рек — на ми­нимальный гарантированный пропуск гидроузла;

для озер и водохранилищ — при наименьших уровнях воды в них;

для морей, озер, водохранилищ — при наиболее неблагоприятном направлении течений к ближайшему пун­кту водопользования.

Условия спуска сточных вод в водоемы, изложенные в Правилах, распространяются на все объекты канализования независимо от их ведомственной подчиненности.

7. Очистка сточных вод от суспензий и взвесей.

При выборе способов и технологического оборудования для очистки сточных вод от примесей необходимо учитывать, что задан­ные эффективность и надежность работы любого очистного устрой­ства обеспечиваются в определенном диапазоне значений концентра­ций примесей и расходов сточной воды. Например, залповые сбросы отработанных технологических растворов в термических, травильных и гальвани­ческих цехах вызывают существенное увеличение концентрации тя­желых металлов в сточных водах на входе в очистные сооружения. Быстрое таяние снега, а также интенсивные дожди вызывают суще­ственное увеличение расхода поверхностных сточных вод на входе в очистные сооружения.

Для обеспечения нормальной эксплуатации очистных сооруже­ний в указанных случаях необходимо усреднение концентрации примесей или расхода сточной воды, а в некоторых случаях и по обоим показателям одновременно. С этой целью на входе в очист­ные сооружения устанавливают усреднители, выбор и расчет кото­рых определяются характеристиками залповых сбросов. Например, методика расчета усреднителей концентрации примесей, заключа­ющегося в определении объема усреднителя, зависит от значения коэффициента подавления

,

где С_max — максимальная концентрация примесей в залповых сбро­сах сточной воды;

С_ср — средняя концентрация примесей в сточной воде на входе в очистные устройства;

С_д — допустимая концентра­ция примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормаль­ная эксплуатация очистных сооружений.

При объем усреднителя определяют по формуле

,

где — превышение рас­хода сточных вод при залповом сбросе;

— продолжительность зал­пового сброса.

При объем усреднителя определяют по фор­муле

.

После расчета объема усреднителя выбирают необходимое число секций, исходя из условия

,

где Н — высота секции усреднителя;

=0,0025 м/с — допус­тимая скорость движения сточной воды в усреднителе.

Существует большое количество способов очистки сточных вод и различные виды их классификации. Выбор необходимых способов при проектировании станций очистки, как правило, основывается на виде и концентрации преобладающих примесей сточных вод, а именно механических (взвешенных), растворенных и органических. В данном вопросе рассматривается очистка сточных вод только от суспензий и взвесей.

Очистка сточных вод от твердых частиц в зависимости от их свойств, концентрации и фракционного состава на предприятиях осуществляется методами процеживания, от­стаивания, отделения твердых частиц в поле действия центробеж­ных сил и фильтрования.

Процеживание — первичная стадия очистки сточных вод — предназначено для выделения из сточных вод крупных нерастворимых примесей размером до 25 мм, а также более мелких волокнистых загрязнений, которые в процессе дальнейшей обработки стоков препятствуют нормальной работе очистного оборудования. Процежива­ние сточных вод осуществляется пропусканием воды через решетки и волокноуловители. Решетки, изготовленные из металлических стержней с зазором между ними 5 - 25 мм, устанавливают в коллекторах сточных вод вертикально или под углом 60 - 70° к горизонту. Размеры попереч­ного сечения решеток выбирают из условия минимальных потерь давления потока на решетке. Скорость сточной воды в зазоре меж­ду стержнями решетки не должна превышать значений 0,8 - 1,0 м/с при максимальном расходе сточных вод. Расчет решеток сводится к определению числа зазоров n, ширины решетки B и потерь напора сточной воды на ней по формулам:

,

где Q_V — объемный расход сточной воды;

b — ширина прозора;

H — глубина коллектора;

— скорость движения сточной воды в прозорах;

,

где — толщина стержня;

,

где — скорость в канале перед решеткой (=0,7 – 0,8 м/с);

k — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления решетки в процессе осаждения в ее зазорах примесей сточных вод, принимает­ся равным 2 - 3;

— коэффициент местного сопротивления решеток;

;

— коэффициент, характеризующий форму попе­речного сечения стержней решетки: для круглых стержней рав­но 1,79; прямоугольных — 2,42; овальных — 1,83;

— угол накло­на решетки к горизонту.

При эксплуатации решетки должны непрерывно очищаться, что осуществляется, как правило, механически, и лишь при задержании примесей в количествах менее 0,0042 м³/ч допускается ручная очистка. Промышленность выпускает вертикальные решетки марки РММВ-1000, применяемые при ширине и глубине коллектора, равных 1000 мм, а также наклонные решетки марок МГ98, МГ98, используемые при ширине коллектора, равной 800 (1600) мм, и глубине 1200 (2000) мм. Эти решетки очищают от задерживаемых примесей механически с помощью вертикальных (РММВ-1000) и поворотных граблей. В зависимости от состава примеси, снятые с решеток, измельчают на специальных дробилках и сбрасывают в поток сточной воды за решеткой или направляют на переработку. Однако эта процедура усложняет технологическую схему очистки сточных вод и ухудшает качество воздушной среды в помещениях очистных станций. Для устранения этих недостатков применяют решетки-дробилки, измельчающие задержанные приме­си, не извлекая, их из воды. Промышленность выпускает решетки-дробилки марок РД-200 и РД-600 с диаметром барабанов соответ­ственно 200 и 600 мм. Средний размер измельченных ими примесей не превышает 10 мм.

Отстаивание основано на особенностях процесса осаждения твер­дых частиц в жидкости. При этом может иметь место свободное осаждение неслипающихся частиц, сохранивших свои формы и раз­меры, и осаждение частиц, склонных к коагулированию и изменя­ющих при этом свою форму и размеры. Закономерности свободного осаждения частиц практически сохраняются при объемной концен­трации осаждающихся частиц до 1%, что соответствует их массо­вой концентрации не более 2,6кг/м³ (для частиц с =2600 кг/м³).

Расчет очистных сооружений для отстаивания сточных вод тре­бует определения скорости осаждения (скорости витания) твердых частиц в жидкости. Скорость осаждения может быть получена решением уравнения Стокса для движения сферической частицы в жидкости с учетом влияния силы гидравлического сопротивления, массовых сил и силы Архимеда:

Это уравнение справедливо для ламинарного режима движе­ния (осаждения) частицы в жидкости. С увеличением размеров час­тиц скорости их осаждения возрастают и ламинарный режим течения нарушается. Для крупных частиц (d_ч>1мм) скорость осажде­ния определяется по формуле Риттенгера

где k — коэффициент, зависящий от формы и состояния поверхно­сти частиц. Экспериментальные исследования показали, что в зависимости от вида частиц, их формы, размеров и состояния поверхно­сти величина коэффициента k составляет 1,2...2,3.

Очистку сточных вод отстаиванием осуществляют в песколовках и отстойниках. Песколовки применяют для выделения частиц песка (стоки литейных цехов), окалины (стоки кузнечно-прессовых и про­катных цехов) и т.д. В зависимости от направления движения сточной воды песколовки делят на горизонтальные с прямолиней­ным и круговым движением воды, вертикальные и аэрируемые пес­коловки.

В горизонтальной песколовки с прямолинейным движением сточной воды, вода поступает в песко­ловку через входной патрубок. Оседающие в процессе движения воды твердые частицы скапливаются в шламосборнике и на дне песколовки, а очищенная сточная вода через выходной патрубок направляется для дальнейшей обработки. Удаление осадка из пес­коловок осуществляют, как правило, ежесуточно. Глубину h₁ выби­рают из условия : где — время движения воды в песколовке, составляет обычно 30...100 с. Длину песколовки определяют по формуле , где =0,15...0,3 м/с — скорость движения воды в песколовке; k=1,3...1,7 — коэффициент, учитывающий влия­ние турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке. Ширину В песколовки определяют с учетом реализации заданного расхода сточных вод (Q); , где n — число секций в песколовке.

Расчет вертикальных песколовок заключается в определении требуемой ее глубины в предположении , где =0,03...0,04 м/с — вертикальная составляющая скорости движения воды; время пребывания сточной воды в песколовке для практиче­ских расчетов принимают 120 с.

Для разделения твердых частиц по фракционному составу или по плотности применяют аэрируемые песколовки, в состав которых входят входная труба, воздуховод, воздухораспредели­тели, выходная труба, шламосборник с отверстием для уда­ления шлама. Крупные фракции осаждаются, как и в горизонталь­ных песколовках. Мелкие же частицы, обволакиваясь пузырьками воздуха, всплывают наверх и с помощью скребковых механизмов удаляются с поверхности. Длина таких песколовок . Время пребывания сточ­ной воды в песколовке составляет 30...90 с, =0,l...0,2 м/с, удель­ный расход аэрируемого воздуха 0,00083...0,0014 м³/(м²*с).

Отстойники использу­ют для выделения из сточных вод твердых час­тиц размером менее 0,25 мм. По направлению дви­жения сточной воды в отстойниках последние делят на горизон­тальные, вертикальные, радиальные и комбинированные.

При расчете отстойников определяют его длину и высоту. Суще­ствует несколько методов расчета длины отстойников, отличающих­ся физической моделью течения жидкости в нем с учетом завихре­ний жидкости, осаждения частиц и т.п.

Расчетная схема горизонтального отстойника, предложенная А. И. Жуковым. Здесь отстойник по длине разбит на три зоны: в первой зоне длиной l₁ наблюдается неравномерное распределение скоростей по глубине потока. Длина этой зоны , где h_o — высота движущегося слоя в начале отстойника, принима­ется равной 0,25 Н; k= (0,018 - 0,02). Во второй зоне длиной l₂ скорость потока считается постоянной. При движении в этой зоне большая часть частиц загрязнений долж­на осесть в иловую часть отстойника, поэтому , где h₁ — максимально возможная высота подъема частицы в первой зоне. В третьей зоне длиной l₃ скорость потока увеличивается, и ус­ловия осаждения частиц ухудшаются. Длина этой зоны определя­ется по формуле , где — угол сужения потока жидко­сти в выходной части отстойника, принимается равным 25 - 30°.

Для расчета длины отстойника L=l₁+l₂+l₃ должны быть за­даны: расход сточной воды и геометрические размеры поперечно­го сечения отстойника.

Схема вертикального отстойника. В нем очищаемая сточная вода поступает по трубопроводу в кольцевую зону, образованную цилиндрической перегородкой и корпусом отстойника. В процессе вертикального движения сточ­ная вода встречает на своем пути отражательное кольцо, направ­ляющее поток воды во внутреннюю полость перегородки, а твер­дые частицы оседают в шламосборник. Очищенная сточная вода поступает в кольцевой водосборник и через трубопровод выво­дится из отстойника. Осадок, скапливающийся в шламосборнике, периодически удаляется из него через трубопровод. При заданном расходе очищаемой сточной воды геометрические размеры отстой­ника выбирают таким образом, чтобы скорость движения сточной воды в кольцевой зоне не превышала скорость оседания твердых частиц в воде. Вертикальные отстойники используют для выделе­ния окалины из сточных вод кузнечно-прессовых и прокатных цехов.

Широкое применение для очистки производственных сточных вод на больших заводах находят радиальные отстойники, обладающие высокой производительностью. Очищаемая сточная вода по входному патрубку с расширяющимся диаметром сечения на выходе поступает в отстойник и движется в радиальном направлении. Увеличение выходного диаметра патрубка обеспечи­вает при заданном расходе уменьшение скорости истечения сточ­ной воды из трубопровода и, следовательно, увеличение вероятно­сти ламинарного осаждения твердых частиц в отстойнике. Очищен­ная сточная вода по отводящим трубопроводам направляется для дальнейшей обработки, а шлам направляется в шламосборник вращающимся скребком и через канал периодически удаляется из отстойника. Диаметр отстойника рассчитывают по скорости осаждения наиболее мелких твердых частиц , за­держиваемых в отстойнике . На промышленных предприятиях используют радиальные отстойники конструкции ВНИИ ВОДГЕО производительностью 0,2...0,362 м³/с.

Отделение твердых примесей в поле действия центробежных сил осуществляется в открытых или напорных гидроциклонах и центри­фугах. Открытые гидроциклоны применяют для отделения из сточных вод крупных твердых частиц со скоростью осаждения более 0,02 м/с. Преимущества открытых гидроциклонов перед напорны­ми — большая производительность и малые потери напора, не пре­вышающие 0,5кПа. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от характеристик примесей (вида материала, размеров и формы частиц и др.), а также от конструк­ционных и геометрических характеристик самого гидроциклона.

Схема открытого гидроциклона. Он состоит из входного патрубка, кольцевого водослива, трубы для отвода очищенной воды и шламоотводящей трубы. Кроме ука­занной схемы известны гидроциклоны с нижним отводом очи­щенной воды и циклоны с внутренней цилиндрической перего­родкой.

Производительность открытого гидроциклона Q_V=0.785*qD²,

где D — диаметр цилиндрической части гидроциклона;

q — удель­ный расход воды, определяемый по формуле ; для откры­тых гидроциклонов с внутренней цилиндрической перегородкой .

При проектировании открытых гидроциклонов рекомендуются следующие значения геометрических характеристик: D=2...l0 м; высота цилиндрической части H=D; диаметр входного отверстия d=0,1D (при одном отверстии), при двух входных отверстиях d=0,0707D; угол конической части =60°.

Напорные гидроциклоны по конструкции аналогичны циклонам для очистки газов от твердых частиц. Их производи­тельность определяют по формуле

, где

k — коэф­фициент, зависящий от условий входа сточной воды в гидроциклон; для гидроциклонов с диаметром D цилиндрической части 0,125...0,6 м и углом конической части 30° значение k=0,524;

— перепад дав­лений воды в гидроциклоне;

— плотность очищаемой сточной воды.

Фильтрование сточных вод предназначено для очистки их от тонкодисперсных твердых примесей с небольшой концентрацией. Процесс фильтрования применяется также после физико-химиче­ских и биологических методов очистки, так как некоторые из этих методов сопровождаются выделением в очищаемую жидкость ме­ханических загрязнений. Для очистки сточных вод предприятий ис­пользуют два класса фильтров: зернистые, в которых очищаемую жидкость пропускают через насадки несвязанных пористых мате­риалов, и микрофильтры, фильтроэлементы которых изготовлены из связанных пористых материалов.

В зернистых фильтрах широко используют в качестве фильтроматериалов кварцевый песок, дробленый шлак, гравий, антрацит и т.п. Зернистые фильтры изготавливают однослойными и мно­гослойными.

Схема каркасно-насыпного фильтра. Очищаемая сточная вода поступает по коллектору и через отверстия в нем равномерно распределяется по сечению фильтра. Нисходящий поток сточной воды проходит через слои гравия и песка, через перфорированное днище, установлен­ное на поддерживающем слое гравия и через трубопровод от­водится из фильтра. Регенерацию фильтра осуществляют продувкой сжатого воздуха, подаваемого в фильтр по трубопроводу, с последующей обратной промывкой водой через вентиль. Скорость фильтрования в данном фильтре составляет 0,0014...0,002 м/с для сточной воды, поступающей в фильтр из циклона или отстой­ника; для сточной воды, поступающей в фильтр после биологиче­ской очистки, — не более 0,0028 м/с.

Схема зернистого фильтра для очистки больших расходов сточных вод от твердых примесей. Сточная вода по трубопроводу поступает в корпус фильтра и проходит через фильтровальную загрузку из частиц мраморной крошки, шунгизита и т.п. расположенную между пористыми перегородка­ми. Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме, ограниченном пористой перегородкой, и выводится из фильтра через трубопровод. По мере осаждения твердых частиц в фильтровальном материале перепад давления на фильтре увеличивается и при достижении предельного значения перекрыва­ется входной трубопровод и по трубопроводу подается сжатый воздух, вытесняя из фильтровального слоя воду и твердые частицы в желоб, которые через трубопроводы и выводятся из фильтра. Достоинством конструкции фильтра являются развитая поверхность фильтрования, простота и высокая эффективность.

Для очистки сточных вод кузнечно-прессовых и прокатных цехов от ферромагнитных примесей применяют электромагнитные фильт­ры, в которых используют пондермоторные силы взаимодействия между намагниченной фильтровальной загрузкой и ферромагнитными примесями сточной воды. Исходная сточная вода через трубопровод поступает в корпус из немагнитного материала, проходит через ограничительную решетку, фильтровальную загрузку из ферромагнитных частиц с толщиной слоя 0,15...0,2 м; опорную решетку и выводится из фильтра по трубопроводу. На­магничивание фильтровальной загрузки осуществляют магнитным полем, создаваемым катушкой индуктивности с ферромагнитным сердечником. Эффективность очистки сточных вод от ферромагнит­ ных и немагнитных примесей составляет соответственно 95...98 и 40...60%. Регенерацию фильтра осуществляют при выключенном электромагнитном поле неочищенной сточной водой в направлении фильтрования или в обратном направлении чистой водой.

Очистка сточных вод от маслопродуктов в зависимости от их состава и концентрации осуществляется на предприятиях отстаиванием, обработкой в гидроциклонах, флотаци­ей и фильтрованием.

Отстаивание основано на закономерностях всплывания маслопродуктов в воде по тем же законам, что и осаждение твердых час­тиц. Процесс отстаивания осуществляется в отстойниках и маслоловушках. При проектировании очистных сооружений предусматри­вают использование отстойников как для осаждения твердых частиц, так и для всплывания маслопродуктов. При этом расчет длины отстойника проводят по скорости осаждения твердых частиц и по скорости всплывания маслопродуктов и принимают макси­мальное из двух значений.

Конструкция маслоловушек аналогична конструкции горизонтального отстойника. При среднем времени пребывания сточной воды в маслоловушке, равном двум часам, скорость ее движения составляет 0,003...0,008 м/с. В результате отстаивания маслопродукты, содержащиеся в воде, всплывают на поверхность, откуда удаля­ются маслосборным устройством. Для расчета маслоловушек необ­ходимо знать скорость всплывания маслопродуктов, которую оп­ределяют по формуле , и расход сточной воды. Тогда расчет сводится к определению геометрических размеров ловушки и вре­мени отстаивания сточной воды.

Для очистки концентрированных маслосодержащих сточных вод предприятий, например стоков охлажда­ющих жидкостей металлорежущих станков, широко применяют обработку сточных вод специальными реагентами, способствующи­ми коагуляции примесей в эмульсиях. В качестве реагентов исполь­зуют Na₂C0₃, H₂SO₄, NaCl, Al₂(S0₄)₃, смесь NaCl и Al₂(S0₄)₃ и др.

Отделение маслопродуктов в поле действия центробежных сил осуществляют в напорных гидроциклонах. При этом целесообраз­нее использовать напорный гидроциклон для одновременного выде­ления и твердых частиц и маслопродуктов, что необходимо учиты­вать в конструкции гидроциклона.

Схема напорного гидроциклона, предназначенного для очистки сточной воды от металлической окалины и масла. Исходная сточная вода через установленный тангенциально по отношению к корпусу гидроциклона входной трубопровод поступает в гидроциклон. Вслед­ствие закручивания потока сточной воды твердые частицы отбрасываются к стенкам гидроциклона и стекают в шламосборник, откуда 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, и через трубопровод выво­дятся из гидроциклона для последую­щей утилизации. Сточная вода, очи­щенная от твердых частиц и маслопродуктов, скапливается в камере, откуда через трубопровод отводится для дальнейшей очистки. Регулируемое гидравлическое сопротивление пред­назначено для выпуска воздуха, кон­центрирующегося в ядре закрученно­го потока очищаемой сточной воды. Указанные гидроциклоны используют для очистки сточных вод сортопрокат­ного цеха с концентрацией твердых частиц и маслопродуктов соответст­венно 0,13...0,16 и 0,01...0,015 кг/м^З и эффективностью их очистки около 0,70 и 0,50. При расходе очищаемой сточной воды 5 м³/час перепад давлений в гидроциклоне составляет 0,1 МПа.

Очистка сточных вод от маслопримесей флотацией заключается в интенсификации процесса всплывания маслопродуктов при обволакивании их частиц пузырьками воздуха, подаваемого в сточ­ную воду. В основе этого про­цесса лежит молекулярное слипание частиц масла и пузырь­ков тонкодиспергированного в воде воздуха. Образование агрегатов “частица — пузырьки воздуха” зависит от интенсив­ности их столкновения друг с другом, химического взаимо­действия находящихся в воде веществ, избыточного давления воздуха в сточной воде и т.п.

В зависимости от способа образования пузырьков воздуха различают несколько видов флотации: напорную, пневматическую, пенную, химическую, био­логическую, электрофлотацию и т.д.

Схема флотационной пневматической установки, предназначенной для очистки сточных вод от маслопродуктов, поверхностно-активных и органических веществ, а также от взвешенных частиц малых размеров. Исходная сточная вода по тру­бопроводу и отверстия в нем равномерно поступает во флотатор. Одновременно по трубопроводу подается сжатый воздух, ко­торый через насадки из пористого материала в виде мельчайших пузырьков равномерно распределяется по сечению флотатора. В процессе всплывания пузырьки воздуха обволакивают частицы маслопродуктов, поверхностно-активных веществ и мелких твердых частиц, увеличивая скорость их всплывания. Образующая­ся таким образом пена скапливается между зеркалом воды и крыш­кой флотатора, откуда она отсасывается центробежным вентиля­тором в пеносборник и через трубопровод направляется для обработки пены и извлечения из нее маслопродуктов. В процессе вертикального движения сточной воды во флотаторе содержащийся в воздухе кислород окисляет органические примеси, а при малой их концентрации имеет место насыщение воды кислородом. Очищенная таким образом сточная вода огибает вертикальную перегородку и сливается в приемник очищенной воды, откуда по трубопрово­ду подается для дальнейшей обработки.

В промышленности также используют метод электрофлотации, преимущества которого заключаются в том, что протекающие при электрофлотации электрохимические окислительно-восстановитель­ные процессы обеспечивают дополнительное обеззараживание сточных вод. Кроме того, использование алюминиевых или железных электродов обусловливает переход ионов алюминия или железа в раствор, что способствует коагулированию мельчайших частиц за­ грязнений, содержащихся в сточной воде.

Очистка сточных вод от маслосодержащих примесей фильтрова­нием — заключительный этап очистки. Этот этап необходим, поскольку концентрация маслопродуктов в сточной воде на выходе из отстойников или гидроциклонов достигает 0,01...0,2 кг/м³ и значительно превышает допустимые концентрации маслопродуктов в водоемах. Кроме того, в оборотных системах водоснабжения допустимое содержание маслопродуктов в сточной воде на выходе из очистных сооружений во многих случаях меньше ПДК их в воде водоемов.

Адсорбция масел (как и любых нефтепродуктов) на поверх­ности фильтроматериала происходит за счет сил межмолекулярного взаимодействия и ионных связей. Существенное влияние на процесс осаждения маслопродуктов на фильтроматериал имеют электрические явления, происходящие на поверхности раздела кварц-водная среда, связанные с возникновением разности элек­трических потенциалов на этой поверхности и образованием двойного электрического слоя. На процесс адсорбции маслопродуктов влияют также и поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся в сточной воде.

Исследования процессов фильтрования сточных вод, содержа­щих маслопримеси, показали, что кварцевый песок — лучший фильтроматериал. Применение реагентов повышает эффективность очистки, однако при этом значительно возрастает стоимость очи­стных сооружений и усложняется процесс их эксплуатации. Обра­зующийся при этом осадок требует дополнительных устройств для его переработки.

В качестве фильтрующих материалов кроме кварцевого песка используют доломит, керамзит, глауконит. Эффективность очист­ки сточных вод от маслосодержащих примесей значительно по­вышается при добавлении волокнистых материалов (асбеста и отходов асбестоцементного производства).

Перечисленные фильтрующие материалы характеризуются рядом недостатков: малой ско­ростью фильтрации и сложно­стью процесса регенерации. Эти недостатки устраняются при использовании в качестве фильтроматериала вспененного полиуретана. Пенополиуретаны, обладая большой маслопоглощательной способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0,97...0,99 при скоро­сти фильтрования до 0,01 м/с, насадка из пенополиуретана легко регенерируется механи­ческим отжиманием маслопро­дуктов.

Схема фильтра-сепаратора с фильтровальной загрузкой из частиц пенополиуретана, пред­назначенного для очистки сточных вод от маслопродуктов и твер­дых частиц. Сточную воду по входному трубопроводу подают под нижнюю опорную решетку. Вода проходит через фильтро­вальную загрузку в роторе, верхнюю решетку и очищенная от примесей переливается в приемный карман и выводится из кор­пуса фильтра. При концентрации маслопродуктов и твердых частиц до 0,1 кг/м³ эффективность очистки составляет соответст­венно 0,92...0,98 и 0,90, а время непрерывной эксплуатации фильт­ра — 16...24 ч. Достоинством данной конструкции являются просто­та и высокая эффективность регенерации фильтра, для чего вклю­чают электродвигатель. При вращении ротора с фильтроваль­ной загрузкой частицы пенополиуретана под действием центробеж­ных сил отбрасываются к внутренним стенкам ротора, выжимая маслопродукты из ротора, которые поступают затем в карманы и направляются на регенерацию. Время полной регенерации фильт­ра составляет 0,1 ч.

Схема полиуретанового фильтра для очистки сточных вод от маслопримесей. Сточная вода по трубо­проводу поступает в распределительную камеру и через регу­лирующий вентиль и водораспределительные окна подается в фильтр, заполненный пенополиуретаном. Пройдя через слои фильтроматериала, сточная вода очищается от масла и взвешен­ных веществ и через сетчатое днище отводится по трубопро­воду. Для поддержания постоянного уровня очищаемой воды в фильтре предусмотрена камера с регулирующим вентилем. Регенерация частиц пенополиуретана осуществляется специ­альным устройством, установленным на передвижной тележке, что позволяет регенерировать весь объем фильтра. Насыщен­ные маслом частицы пенополиуретана цепным элеватором по­дают на отжимные барабаны и, освободив от маслообразных и взвешенных веществ, вновь подают в фильтр. Отжатые загрязне­ния по сборному желобу отводят для дальнейшей переработки.

8. Экологические требования при размещении и эксплуатации предприятий.

Каждое предприятие должно проходить экологическую экспертизу.

Экологическая экспертиза — система комплексной оценки всех возможных экологических и социально-экономических по­следствий осуществления проектов и реконструкций, направленная на предотвращение их отрицательного влияния на окружающую среду и на решение намеченных задач с наименьшими затратами ресурсов.

Правила определения допустимых выбросов вредных веществ промышленными предприятиями установлены ГОСТ 17.2.3.02-78. Для проведения экологической экспертизы при выборе площадки для строительства предприятия или при реконструкции действующего предприятия должны быть пред­ставлены следующие материалы:

краткие сведения по обоснованию выбора района строи­тельства с учетом физико-географических и метеорологических факторов, а также исходных данных, полученных от органов Госкомгидромета, характеризующих существующие уровни за­грязнения атмосферы;

характеристика выбросов загрязняющих веществ предприя­тием в атмосферу, ситуационный план района размещения пред­приятия с указанием размера санитарно-защитной зоны;

намеченные решения по очистке и утилизации загрязняю­щих веществ;

упрощенные (в соответствии с ОНД-86) расчеты загрязне­ния атмосферного воздуха;

обоснование данных о возможных аварийных и залповых выбросах;

нормативы ПДК загрязняющих веществ, которые будут выбрасываться в атмосферу.

Необходимо также учитывать совместное влияние на атмос­феру загрязнений, поступивших из различных источников.

Разработка ПДВ должна проводиться на основе современных методов расчета, с учетом фоновых концентраций загрязнений в зоне промышленного предприятия. Кроме того, при разработке проектной документации необходимо предусмотреть действенный контроль за эффективностью работы очистного оборудования и за количеством выбросов загрязняющих веществ.

На многих предприятиях велики объемы загрязнен­ного воздуха, выбрасываемого в атмосферу установками общеоб­менной вентиляции производственных помещений и местной вен­тиляции. Для таких источников строят вентиляционные трубы, расчет рассеивания выбросов которых производится по ОНД-86.

Общий выброс из мелких вентиляционных источников от од­ного здания в расчетах рассеивания за пределы предприятия можно относить к одному или нескольким условным источникам, для каждого из которых обосновываются значения ПДВ. Если выбросы превышают ПДВ, то должна быть предусмотрена очист­ка выбросов до рассеивания.

На определенных стадиях технологических процессов или при аварийных ситуациях возможны “залповые” выбросы загрязняю­щих веществ в атмосферу, ПДВ для которых устанавливается по ОНД-86, полагая мощность источника выброса (г/с), где — масса выбрасываемого вредного вещества, г; — про­должительность залпового выброса, с. Для аварийных выбросов значения ПДВ не устанавливаются. При согласовании воздухоохранных мероприятий, намечаемых при реконструкции предприятий, указанные сведения по выбро­сам приводятся в сравнении с ранее существовавшими.

Проектные материалы по охране атмосферного воздуха от загрязнения должны быть оформлены и представлены на утвер­ждение в виде отдельной книги “Мероприятия по охране атмос­ферного воздуха от загрязнения”.

Экспертизу проектных решений осуществляет экспертный Со­вет Госкомприроды. По результатам экологиче­ской экспертизы разработчику проекта выдается разрешение на выбросы загрязняющих веществ стационарными источниками с указанием срока его действия. Если значения ПДВ по объектив­ным причинам не могут быть достигнуты, ГОСТ 17.2.3.02-78 допускает поэтапное снижение выбросов вредных веществ от действующих предприятий от временно согласованных вопросов (ВСВ) до значений ПДВ.

Для снижения выброса загрязняющих веществ в атмосферу необходимо провести следующие мероприятия: детально проработать технологический процесс с целью снижения количества выбрасываемых токсичных веществ или замены их на нетоксич­ные или малотоксичные; повысить герметичность оборудования; разработать и применить эффективную пылегазоочистку. Только после комплексной реализации этих мероприятий следует решать вопрос о рассеивании загрязняющих веществ через трубы. Мето­дические рекомендации по согласованию и экспертизе мероприя­тий по охране атмосферы приведены в сборнике.

Воздействие промышленного предприятия на геологическую среду определяется технологической нагрузкой — годовым коли­чеством всех видов твердых и жидких отходов предприятия. Объектами повышенной экологической опасности считаются раз­личные отстойники и шламонакопители.

При экспертизе проектов необходимо проверять наличие у предприятия возможностей по переработке и захоронению твер­дых и жидких отходов, а также полноту использования новейших научно-технических достижений в области малоотходной и без­отходной технологии.

Оценку экологического воздействия промышленного предприя­тия на гидросферу проводят на основе баланса его водообеспечения (СНиП 11-31—88), в котором указывают компоненты водопотребления и водоотведения, а также объемы (м³/сут): повторно используемой воды, промышленных сточных вод, хозяйственно-бы­товых сточных вод, безвозвратных потерь воды.

Создание замкнутых систем водообеспечения — основное на­правление сокращения потребления свежей воды и предотвраще­ния сбросов сточных вод. При экспертизе проектов следует про­верять наличие и полноту разработки предложений по созданию замкнутых систем водообеспечения с необходимыми технико-эконо­мическими обоснованиями.

При экспертизе проектов размещения крупных промышленных комплексов следует рассматривать состояние окружающей среды в районе, примыкающем к предприятию в радиусе 20 — 30 км. Размер санитарно-защитной зоны должен соответствовать требованиям СН 245-71, СНиП II-89—80 и руководства по проектиро­ванию санитарно-защитных зон промышленных предприятий.

Не допускается утверждение проекта предприятия без прове­дения экологической экспертизы. В соответствии с ГОСТ 0.0.04—90 предприятие должно иметь экологический паспорт.