Экология водопотребления
Введение в специальность
(городское строительство и хозяйство)
Конспект лекций
(по кафедре Городского строительства и экологической безопасности)
(городское строительство и хозяйство)
Конспект лекций
(по кафедре Городского строительства и экологической безопасности)
Экология водопотребления.
Экология водного хозяйства представляет собой составную часть промышленной и прикладной экологии, основана на их принципах и методах. Под экологией водного хозяйства населенных мест будем понимать воздействие на окружающую природную среду и взаимосвязь потребления природных вод человеком и сброса отходов его жизнедеятельности, а также разработку норм использования, нагрузок и способов предотвращения деградации среды жизни при этом. Экология водопотребления является частью экологии водного хозяйства и изучает процесс воздействия на окружающую среду и взаимосвязь потребления природных вод человеком с разработкой принципов рационального использования водных ресурсов без деградации среды жизни.
Экологизация водного хозяйства населенных мест.
Исторически сложившееся размещение производственных комплексов в районах жилой застройки населенных мест не является оптимальным.Системы водоснабжения и водоотведения в таких агломерациях часто являются совместными для жилой и промышленной зоны. В отдельных случаях, чаще всего на крупных предприятиях, имеется собственная система водного хозяйства с полным технологическим циклом от забора воды до ее очистки, обезвреживания и утилизации твердой фазы.
Принято рассматривать два типа взаимосвязанных водохозяйственных объектов – населенный пункт с промышленностью и отдельно промпредприятие.
Сточные воды от промпредприятий, содержащие специфические загрязнения, а также дождевые и талые воды, с территории промплощадок могут сбрасываться в систему водоотведения населенного пункта и подвергаться биологической очистке совместно с городскими сточными водами после прохождения локальных очистных сооружений.
Системы водообеспечения промышленных предприятий в зависимости от водных и технологических процессов могут быть прямоточного, повторного (последовательного) и оборотного водоснабжения. Нет необходимости доказывать наибольшие экономические и экологические преимущества последней.
Прямоточная система водоснабжения может быть применена только в случае технической невозможности или экономической нецелесообразности иных. К сожалению, до 80% мелких и средних предприятий в настоящее время имеют такие системы водообеспечения, что свидетельствует о низком уровне культуры производства и излишних энергетических затратах на подачу и отвод, их кондиционирование на очистных сооружениях водопровода и канализации и, как следствие, повышенных нагрузках на окружающую среду.
При прямоточном водообеспечении вся забираемая из водоисточника вода Qист сбрасывается в приемник сточных вод Qсбр, за исключением безвозвратно расходуемой в производстве Qпот. Баланс расходов в данной схеме очевиден:
Qсбр = Qист + Qпот
Более совершенной по сравнению с прямоточной является схема последовательного использования воды, которое может быть двух-трех-четырехкратным. В этом случае количество сбрасываемых сточных вод уменьшается на величину суммарных потерь на ряде производств (заводов, цехов) и на очистных сооружениях со шламами Qш:Qсбр = Qист - (Qпот1 + Qпот2 +Qшл)
При повторном водоиспользовании качество сточных (отработанных) вод предыдущей ступени должно удовлетворять технологическим требованиям к воде последующего водопользователя. К разновидностям повторного водообеспечения можно отнести схему, когда требуется кондиционирование сточной воды предыдущей ступени (охлаждение, удаление взвесей и т.д.) перед ее использованием на последующей.В зависимости от технологического назначения, вода в системе оборотного водообеспечения может быть повергнута различной обработке. Если вода является теплоносителем и в технологическом процессе только нагревается, перед последующим использованием ее охлаждают (в пруду, брызгательном бассейне, градирне). В том случае, когда вода выполняет роль транспортирующей среды, перед подачей в оборотный цикл ее кондиционируют на очистных сооружениях. Возможен вариант предварительной обработки воды перед повторным использованием путем очистки от загрязнений и охлаждения.
Оценивая экологическую значимость всей системы водного хозяйства, отметим, что система канализации является приемником огромного количества загрязнений, сопровождающих жизнедеятельность человека в быту и на производстве. Какой бы совершенной ни была система очистки сточных вод, все равно остаются осадки, выделяются газы в атмосферу, потребляется энергия на очистку воды, выводятся из сельскохозяйственного оборота земли на накопители, иловые площадки, биопруды и т.д. Особенно тяжело переносит природа сброс в канализацию вредных микропримесей – солей тяжелых металлов, нефтепродуктов, поверхностно-активных средств, ксенобиотиков.
Вывод: нужно рационально потреблять привозные и добываемые из недр материалы: топливо, соли различных металлов, кислоты, щелочи, металлы, удобрения, средства защиты растений, моющие средства и любые другие продукты, на производство которых расходуются природные ресурсы.
Комплексное рациональное водопользование.
Водопользование представляет собой использование человеком водных объектов в социальной, хозяйственной и бытовой деятельности.К общему водопользованию относится пользование водными объектами без применения сооружений или технических устройств, влияющих на состояние вод (например, пляжи, места рыбной ловли). Общее водопользование осуществляется без получения на него разрешения от органов регулирования и управления водными ресурсами.
Специальным водопользованием являе6тся пользование водными ресурсами с применением сооружений или технических устройств. К нему относятся пользование водными объектами или их частью для удовлетворения питьевых и бытовых нужд населения, потребностей в воде сельского и рыбного хозяйства, промышленности, энергетики, водного транспорта, лесоповала, а также для сброса сточных вод, если указанные виды водопользования производятся при помощи строительства и эксплуатации специальных сооружений (водозаборов, плотин, шлюзов, поглощающих скважин, выпусков сточных вод, оросительных систем и т.д.).
Не относятся к водопользованию строительные, дноуглубительные, взрывные работы, добыча полезных ископаемых и водных растений, прокладка трубопроводов и кабелей, буровые, геологоразведочные работы и иные виды работ на водных объектах или в их прибрежной полосе, если они не связаны с заборами воды и отведением в водоемы сточных вод, регулированием стока.
В конце 80-х гг. в среднем структура потребления воды в России на различные нужды характеризовалась следующими данными, %:
- промышленное водопользование – 60:
- хозяйственно-питьевое водоснабжение – 13;
- орошение – 23;
- сельскохозяйственное водоснабжение – 4.
Водохозяйственный комплекс представляет собой совокупность различных отраслей народного хозяйства, совместно использующих ресурсы одного водного бассейна. Основными требованиями к нему являются:
- рациональное обеспечение потребителя водой в достаточном объеме и соответствующего качества;
- сохранение природных условий и гарантии охраны вод от загрязнения, засорения и истощения;
- обеспечение наибольшего эколого-экономического эффекта;
- гарантии простой надежной работы.
В основе рационального использования водных ресурсов лежит технико-экономическое обоснование развития территориально-производственного комплекса, которое составляется с целью:
- создания здоровой комфортной среды обитания жителей;
- создания эффективной структуры производства основных видов продукции;
- охраны ОПС;
- комплексного использования водных ресурсов.
- удельная норма водопотребления на одного жителя, на единицу выпускаемой продукции;
- потребление свежей воды;
- количество воды, находящейся в обороте;
- количество сточных вод, поступающих на биологическую очистку;
- общее количество сточных вод, сбрасываемых в водный объект;
- условное количество загрязнений в сбрасываемых сточных водах;
- возврат сточных вод в производство;
- воздействие водохозяйственного комплекса на ОПС;
- рекреационный потенциал водного объекта;
- продуктивность рыбохозяйственного комплекса;
- уровень перевозок водным транспортом;
- защита водных объектов от антропогенной деятельности;
- технологическая, экономическая, социальная и экологическая эффективность.
- объем (процент) применения безводных технологий производства;
- последовательное (повторное) использование воды в технологических операциях;
- локальные замкнутые циклы систем технического водоснабжения отдельных цехов, участков и т.д.;
- уровень совершенства методов локальной очистки сточных вод, утилизация технологических продуктов при этом;
- оптимизация процессов водообеспечения и водоочистки в направлении малоотходных технологий, вторичных материальных ресурсов;
- полное использование очищенных источников вод города на технические нужды промышленных предприятий;
- степень использования очищенных сточных вод предприятия на сельскохозяйственные нужды.
Экология водоотведения.
Под жидкими отходами человеческой деятельности в данном случае понимаются все категории сточных вод, образующиеся в быту, обществе, промышленности, сельском хозяйстве, включая атмосферные.
Создавая комфортные условия обитания, обеспечивая социально-культурные и производственные потребности человека, водопроводная вода претерпевает изменения, превращаясь после ее использования в жидкие отходы – сточные воды. Классификация сточных вод основана на их происхождении – генезисе.
Хозяйственно-бытовые сточные воды образуются в жилых и общественных зданиях, на промпредприятиях (при приготовлении пищи, после санитарных приборов, стирки и т.п.).
Происхождение и состав промышленных сточных вод определяется характером производства и водообеспечения.
Характер загрязнения производственных сточных вод в основном определяется профилем предприятия, составом перерабатываемых материалов, сырья и видом выпускаемой продукции.
По концентрациям загрязненные производственные сточные воды подразделяются на 4 группы, мл/л:
- слабоконцентрированные 0-500;
- среднеконцентрированные 500-5000;
- концентрированные 5000-30000;
- высококонцентрированные – более 30000.
- неагрессивные 6,5-8;
- слабоагрессивные 6-6,5 и 8-9;
- сильноагрессивные – менее 6 и более 9.
Нормативно чистые производственные сточные воды – после охлаждения техпроцессов – после снижения температуры, используется в основном для оборотного водоснабжения, хотя в некоторых случаях их сбрасывают в дождевую систему водоотведения, что свидетельствует о низком уровне водного хозяйства на предприятии и что недопустимо по экологическим и экономическим соображениям. В условиях рыночной экономики, введения платы за воду как за ресурсы следует ожидать прекращения этих сбросов.
Дождевые и талые воды, а также поливочные с территории населенных пунктов и предприятий, можно рассматривать как среднеконцентрированные промышленные сточные воды, которые большей частью сбрасываются в водоемы без очистки, что является нарушением санитарных норм.
В состав поверхностного стока непременно входят компоненты обрабатываемого сырья. Например, в поверхностных водах заводов по производству фосфорных удобрений присутствует фосфор, мясокомбинатов – жиры и т.д.
В хозбытовую систему сбрасываются воды после душевых , пищеблоков, санузлов, а также производственные, которые можно обезвредить на городских очистных сооружениях, т.е. прием которых возможен в городскую систему водоотведения.
Дождевые воды с крыш и территории промплощадок следует отводить на очистные сооружения поверхностного стока, поскольку их загрязненность мехпримесями, маслонефтепродуктами, а также сырьевыми материалами близка к среднеконцентрированным стокам. При отсутствии на предприятии оборотной системы водоснабжения в дождевую канализацию допускается направлять условно-чистые производственные сточные воды (чаще всего после охлаждения).
Производственные сточные воды, содержащие загрязнения, не допускаемые к сбросу в городскую систему водоотведения или превышающие допустимые нормы, должны отводиться по отдельным трубопроводам и обезвреживаться локально на предприятии. При наличии нескольких таких потоков вопрос их совместного или раздельного водоотведения рассматривается при проектировании в зависимости от состава и методов обезвреживания.
Если сточные воды промпредприятий не соответствуют приведенным ограничениям, то перед сбросом в сеть их необходимо обработать на локальных очистных сооружениях (местные нормы на прием производственных сточных вод в городскую сеть водоотведения с учетом специфики их состава, ПДК и ПДС разрабатываются службами водопроводно-канализационного хозяйства и утверждаются муниципальными властями).
На основании длительного изучения влияния различных химических соединений на флору и фауну установлены предельно допустимые концентрации для водоемов различных категорий водопользования. При этом вещество нормируется по санитрано-токсикологическому, общесанитарному лимитирующему или органолептическому показателю вредности.
Основные направления экологизации систем водоотведения.
Экологизация – это процесс неуклонного, постепенного и последовательного внедрения систем технологических, управленческих, организационных и других решений, позволяющих повышать эффективность использования естественных ресурсов и условий с улучшением или хотя бы с сохранением качества природной среды. Общая экологизация – объективные, более системный подход и осознание природы в жизни человека, новый этап культуры.Согласно определению Европейской экономической комиссии ООН безотходная технология – это практическое применение знаний, методов и рационального использования природных ресурсов и энергии, а также защиты окружающей среды.
Малоотходная технология является промежуточным этапом создания безотходной. Составными элементами их являются: комплексная переработка сырья с использованием всех его компонентов; уменьшение или полное исключение загрязнения окружающей среды промежуточными продуктами, отходами производства и потребления путем переработки и получения из них товарной продукции; создание замкнутых систем производственного цикла.
Первым шагом в этом направлении является создание систем повторного и оборотного водоснабжения. При создании оборотных и замкнутых систем водоснабжения необходимо рассматривать основной технологический процесс и очистку сточных вод как единое целое.
Аналогичный подход должен реализовываться и при проектировании и эксплуатации систем водного хозяйства отдельных районов, территориально-промышленных комплексов, агропромышленных образований.
Следует отметить, что при этом будет возрастать стоимость мероприятий по охране гидро- и атмосферы. Но данные затраты не являются вычетом из национального подхода. Они компен6сируются предотвращенным или ликвидируемым ущербом, который наносится выбросами. Следствием выбросов будут увеличенные расходы на подготовку воды для нужд питьевого, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения; снижение продуктивности рыбного и лесного хозяйства, животноводства, урожаев; возрастание расходов на восстановление природного состояния водоемов, на медицинское обслуживание населения и т.д.
При комплексном решении водохозяйственного баланса в регионе следует учитывать, сто технологические нормативы качества оборотных вод, зачастую менее жесткие, чем к очищенным, сбрасываемым в водоемы. Это позволяет существенно сократить нагрузку на природную среду за счет уменьшения энергетических затрат на очистку вод, забора свежей воды, на подпитку оборотных систем.
Выбор оптимальных технологических схем очистки вод и замкнутых систем водоснабжения обосновывае6тся технико-экономическими расчетами. При этом даже при экономической нецелесообразности в первую очередь следует принимать проекты и технологии, обеспечивающие улучшение санитарно-гигиенических условий на предприятии, в городе, в регионе. Не следует забывать один из основных законов экологии – «ничто не дается даром», а также народную мудрость – «скупой платит дважды».
В наибольшей степени способствуют изложенным положениям экологизации процессов очистки сточных вод следующие технические решения и мероприятия.
1. Механическая очистка:
- совершенствование гидродинамических режимов существующих отстойных сооружений путем устройства струенаправляющих перегородок, регулирования сбора осветленной жидкости, увеличения коэффициента полезного использования, оборудования их тонкослойными блоками, сто позволит в 2-3 раза увеличить гидравлическую нагрузку и получить эффект очистки по взвешенным веществам не менее 65%
- применение вместо отстойников сетчатых установок, обеспечивающих эффект очистки сточных вод по взвешенным веществам 40-95% (в зависимости от физико-химических характеристик твердой фазы и типа сетчатой перегородки). К таким установкам относятся барабанные сетки, микрофильтры, устройства фильтрующие самоочищающиеся;
- предварительная обработка сточных вод перед осветлением коагулянтами, флокулянтами, активным илом, отработанной биопленкой (для хозбытовых сточных вод), что позволяет получить менее влажную твердую фазу и повысить эффект очистки 75-80%;
- расширение применения технологических процессов очистки вод, использующих центробежные силы для разделения суспензий и эмульсий взамен гравитационных; основу таких техпроцессов составляют гидроциклоны различных конструкций (открытые, напорные, многопродуктовые, многоярусные, классификаторы и т.д.), а также центрифуги. Их применение уменьшает потребные производственные площади для размещения на 1-2 порядка, позволяет получить менее обводненные осадки шламы), масло-, нефте-, жиропродукты, создает возможность вторичного использования компонентов.
- совершенствование существующих и разработка новых (напорных и безнапорных) фильтровальных установок, обеспечивающих возможность максимальной утилизации продуктов регенерации при высокой эффективности выделения загрязнений.
- применение более активных коагулянтов, флокулянтов, реагентов, содержащих меньшее количество инертных компонентов, чем в настоящее время;
- применение для определенных процессов газообразных, твердых и жидких промышленных отходов.
- повторное использование шламов и осадков химической очистки вод для предварительной обработки загрязнений;
- выделение и утилизация в основном или вторичном производстве продуктов реакции. Например, содержащийся в промывных сточных водах и отработанных дубильных растворах кожевенного производства трехвалентный хром после нейтрализации известью осаждается в виде гидрооксидов, последующая обработка Cr(OH)3 серной кислотой позволяет получить вновь дубильный раствор, содержащий Cr(SO4)3;
- организация рациональной системы водоотведения производственных сточных вод, обеспечивающих их взаимоочистку после объединения на локальных очистных сооружениях.
- существенное расширение и совершенствование процессов гипер-, ультрафильтрации, электродиализа, экстракции, адсорбации, ионообмена, позволяющих выделять и возвращать в основное производство продукты, а очищенные воды после корректировки состава до нормативных величин использовать в оборотном водоснабжении;
- разработка и создание новых селективных типов сорбентов для избирательного выделения определенных компонентов из сточных вод с целью вторичного использования;
- широкое использование жидких и твердых промышленных отходов в технологических процессах.
- развитие энергетически малоемких эффективных процессов, к числу которых можно отнести использование в очистке вод электроэнергии, полученной из биогаза, а также гальванокоагуляцию, которая представляет собой комплексный физико-химический окислительно-восстановительный процесс;
- развитие передвижной сервисной сети обслуживания абонентов по регенерации сорбентов, электрохимическому выделению тяжелых металлов на катодах специальных установок, что позволит возвратить в технологию продукты, провести с получением вторичного сырья регенерацию сорбентов и их же возвратить в цикл очистки вод. Провести указанные операции на отдельных предприятиях не всегда возможно по техническим и организационным причинам, а наличие специализированной организации, проводящей по согласованному графику эти работы, повышает технологическую эффективность;
- разработка методов предварительного физического и химического воздействий на очищаемые воды, физическая обработка (омагничивание, ультразвуковая, высокочастотная и др.), приводящая к изменению физико-химических характеристик и соответственно к более глубокой степени выделения загрязнений из вод; к химическим способам относится активация поверхностных свойств фильтрующих материалов химическими веществами с целью увеличения эффективности очистки вод.
- способ «мокрого сжигания» (огневой, термический способ обезвреживания), применяемый в настоящее время для ликвидации концентрированных трудноокисляемых органических загрязнений (капролактам, нитроциклогексанол и т.д.), без специальных гозоочистных установок приводят к загрязнению атмосферы.
- развитие и применение на практике метода предварительной анаэробной подготовки сточных вод перед аэробным окислением;
- повсеместное использование искусственных носителей биомассы позволяет увеличить ее концентрацию до 50г/л с разработкой новых систем обеспечения кислородом (носители биомассы типа «Ерш», «Вий», «Ромашка» и т.д.), что позволяет иметь экологическую трофическую цепь питания микроргранизмов по взаимоотношению «хищник – жертва» по ходу движения очищаемых сточных вод;
- широкое применение биосорбционных методов, обеспечивающих глубокую очистку вод не только от биологически «мягких» органических и азот содержащих веществ (определяемых по БПК), но и «жестких», а также неорганических (ХПК) с одновременной биорегенерацией сорбентов. Следует ожидать расширения ассортимента используемых в биосорбентах загрузок помимо активированных углей: углесодержащие отходы электродных производств, полученные пиролизом сорбенты из активного ила, торфа и т.д.;
- регулирование соотношения групп микроорганизмов – аммонификаторов – нитрификаторов – денитрификаторов – азотфиксаторов в биоценозе аэрокислителей, что обеспечивает глубокую деазотизацию сточных вод;
- биологическая доочистка сточных вод иммобилизованной микрофлорой от частиц активного ила с использованием прироста биомассы моллюсками и с передачей последних на корм птицам.
- использование симбиотического альгобактериального сообщества (водоросли + бактерии) в очистке и доочистке сточных вод с искусственным освещением в темный период суток интенсивностью 120 лк/м². Продуцируемый бактериями при окислении органических веществ диоксид углерода усваивается водорослями, а выделяемый последними в результате фотосинтеза кислород используется микроорганизмами как акцептор электронов в метаболизме. При этом достигается глубокая (до 2-3 мг/л по БПКп) очистка сточных вод и не требуется воздуходувок, компрессоров для биоокислителей.
