Реферат по дисциплине «Экология» Тема: «Очистка сточных вод предприятий железнодорожного транспорта»

1. 
   Нормирование качества воды в водоёмах.
   

Вода в природе находится в непрерывном движении во всех основных сферах Земли: гидросфере, атмосфере, лито­сфере и биосфере. Общий объем гидросферы на Земле оце­нивается в 1389 млн. км³. Вода занимает 3/4 поверхности земного шара. Однако ресурсы пресной воды на Земле по сравнению с соленой невелики и составляют по расчетам различных авторов 35—39 млн. км³, т.е. 2,0—2,5% от всех мировых запасов. Потребление пресной воды в мире до­стигает 3900 млрд. м³/год. Из этого количества половина теряется безвозвратно, а другая половина переходит в сточ­ные воды.

Основными источниками пресной воды являются поляр­ные льды и ледники — 29 • 10⁶, грунтовые воды — 9,5 • 10⁶, вода в озерах — 120 • 10³, вода в реках — 12 • 10³, вода в почве — 21 • 10³ и влага в атмосфере — 13 • 10³ км³.

Под действием солнечного тепла вода с поверхности земли и водных бассейнов испаряется в атмосферу, а затем выпадает в виде осадков. С водой связаны основные про­цессы формирования лика Земли: эрозия горных пород и почв, перемещение и накопление огромных масс взвешен­ных и растворимых веществ. Вода играет решающую роль во многих процессах, протекающих в природе, и в обеспечении самой жизни на Земле. Вода участвует в биологическом круговороте, являясь важнейшей составной частью фауны и флоры.

Природная вода — универсальный растворитель. В ре­зультате постоянной циркуляции на поверхности Земли, в почвенных слоя и подземных толщах она в большей или меньшей степени загрязняется различными солями (хло­ридами, сульфатами, карбонатами натрия и кальция, железа, марганца и др.), органическими веществами (гуминовыми и фульвокислотами), производственными и транспортными отходами и газами, а также глинистыми частицами, стоками с полей и живыми организмами (планктоном, различными бактериями и вирусами). Поэтому в чистом виде вода в природе не встречается.

Пресные воды подразделяются на воды малой минерализованности (до 200 мг/л), средней (200—500 мг/л) и по­вышенной (500—1000 мг/л). Воды большинства рек России относятся к первым двум группам. По преобладающему аниону воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

Наличие в воде солей кальция и магния определяют ее жесткость. Различают карбонатную и некарбонатную жест­кость. Карбонатная жесткость связана с присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния, а некарбонатная — суль­фатов, хлоридов, нитратов кальция и магния.

Качество воды рек, озер и водохранилищ определяется в соответствии с «Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнений», согласно которым устанавливается две категории водоемов: I — водоемы питьевого и культурно-бытового назначения и II — водоемы рыбохозяйственного назначения. Состав и свойства воды водных объектов первого типа должны соответствовать нор­мам в створах, расположенных в водостоках на расстоянии одного километра выше ближайшего по течению, а в непро­точных водоемах — в радиусе одного километра от пункта водоиспользования. Состав и свойства воды в рыбохозяйственных водоемах должны соответствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (наличие течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска не далее, чем в 500 м от всего выпуска.

Для определения содержания в сточных водах токсичных примесей с целью выбора метода очистки, возврата в оборот, слива в канализацию, а также возможности их сброса в водоем необходим анализ химического состава. Вредные и ядовитые вещества разнообразны по своему составу и свой­ствам, в связи с чем их содержание нормируют по принципу лимитирующего показателя вредности (ЛПВ), под которым понимают наиболее вероятное неблагоприятное воздействие каждого вещества. При нормировании качества воды в во­доемах питьевого и культурно-бытового назначения исполь­зуют три вида ЛПВ: санитарно-токсикологический, общесанитарный и органолептический.

Контроль состава сточных вод заключается в опреде­лении следующих показателей: температуры, цвета, запаха, прозрачности по шрифту, рН (водородный показатель), содержания взвешенных веществ, величины сухого остатка, общей кислотности и щелочности, окисляемости, хими­ческого потребления кислорода (ХПК), биохимического потребления кислорода (ВПК), содержания хлоридов и сульфатов.

Важным показателем чистоты и свойств состава воды является рН. Согласно ГОСТ 2874-81 «Вода питьевая» допускаются его колебания в пределах 6,5—8,5. Отклонение рН от этих значений указывает на нарушение стабильности воды и возможное ее загрязнение.

Содержание грубодисперсных взвешенных веществ вы­ражают в мг/л и определяют фильтрованием 1 л воды через бумажный фильтр, который затем высушивают при 105— 110°С до постоянной массы. Вес высушенного остатка опре­деляет содержание в воде взвешенных веществ.

Окисляемость воды выражается в миллиграммах кисло­рода, расходуемого для окисления веществ, содержащихся в 1 л воды. В зависимости от используемых окислителей и полноты окисления органических веществ различают перманганатную и бихроматную окисляемость. Перманганатная окисляемость характеризует количество легко окисляю­щихся органических примесей и обычно используется при анализе природных вод.

Показателем содержания органических примесей в сточ­ных водах является ХПК, определяемое с помощью бихромата калия в присутствии серной кислоты, В этом случае происходит практически полное окисление растворимых, коллоидных и нерастворимых органических примесей. Сте­пень окисления органических веществ обычно составляет 95—98%. Степень загрязненности сточных вод выражается также количеством кислорода, необходимого для окисления органических веществ микроорганизмами в аэробных усло­виях БПК. Практически полным его значением считается ко­личество кислорода, необходимого для окисления орга­нических веществ до начала нитрификации — БПК_ПОЛН. Наряду с ним определяется биохимическое потребление кис­лорода в течение 5 суток — БПК₅.

Разность между ХПК и БПК характеризует наличие примесей в воде, не окисляющихся биохимическим путем. Для бытовых сточных вод БПК_ПОЛН составляет 85—90% от ХПК. По величине соотношения БПК_ПОЛН/ХПК можно судить о возможности применения определенного метода очистки сточных вод. Если БПК_ПОЛИ/ХПК > 0,5, то это указывает на возможность применения биохимической очистки сточных вод. При БПК_ПОЛН/ХПК < 0,5 использование этого метода малоэффективно, так как в воде содержится значительное количество биологически неокисляемых веществ. Для таких сточных вод более целесообразным является применение физико-химических и химических методов очистки.

^ Предельно-допустимая концентрация (ПДК) вредного (загрязняющего вещества) в воде водоема — концентра­ция, которая не оказывает вредного воздействия на орга­низм человека при употреблении воды для питья, при­готовления пищи, гигиенических целей и для отдыха. Для разных категорий водоемов устанавливаются различные значения ПДК загрязняющих веществ. При оценке опасности загрязнений следует учитывать фауну водоемов. Рыбы по сравнению с теплокровными животными более чувстви­тельны к токсичным веществам. Для ассимиляции необхо­димого количества кислорода из внешней среды рыбы пропускают его вместе с водой через жабры и вводят в организм больше токсичного вещества, чем теплокровные животные пропускают с воздухом через легкие. Например, для карпов смертельная концентрация фенола при поступ­лении через жабры в 50 раз меньше, чем при попадании через ротовое отверстие.

Вода, используемая для питья, не должна содержать никаких патогенных микробов, являющихся причиной за­болевания живых организмов. Качество питьевой воды оце­нивается косвенными бактериологическими показателями. К ним относятся кишечная палочка и общее количество бак­терий — метатрофов. В качестве единиц бактериального за­грязнения служат колититр и колииндекс.

Таким образом, при оценке степени загрязненности воды и обосновании ПДК вредных веществ в водоемах необ­ходимо учитывать весь комплекс влияния вредных веществ на качество воды, используемой для различных целей.

2. 
   Методы очистки сточных вод.
   

Производственные сточные воды железнодорожных предприятий представляют собой сложные системы, содер­жащие минеральные и органические вещества, состав и количество которых, как правило, определяется характером технологических процессов. Загрязнения могут находиться в воде в виде взвешенных частиц различного размера (ди­сперсные системы — взвеси и коллоидные растворы) и в истинно растворенном состоянии. Взвеси характеризуются размером частиц более 0,1 мкм (суспензии и эмульсии), а коллоидные растворы — 0,1—0,0001 мм. В истинных растворах размеры частиц соизмеримы с размерами отдель­ных молекул или ионов. Взвеси делятся на суспензии — твердая фаза распределена в жидкой и эмульсии — жидкая фаза диспергирована в жидкости.

Очистка сточных вод предприятий железнодорожного транспорта может осуществляться механическими, физико-химическими, химическими, биологическими и другими методами. Взвешенные вещества, плавающие нефтепродукты и т.п. удаляются механическими методами — отстаиванием, фильтрацией, центрифугированием и др. Мелкодисперсные, коллоидно-растворенные и растворенные примеси удаля­ются физико-химическими способами, которые включают в себя коагуляцию, флотацию, сорбцию, флокуляцию, ионный обмен, ультрафильтрацию, электродиализ I и химическими — озонирование, реагентное воздействие, умягчение и др.

Из-за сложного состава сточных вод при их очистке используются комбинации различных методов. Во всех слу­чаях первой стадией является механическая очистка, способ­ствующая удалению взвешенных частиц.

1. 
   Механические методы.
   

Для удаления взвешенных частиц (твердых и жидких) используют гидромеханические способы очистки, а также фильтрование. Выбор метода зависит от размера частиц примесей, их свойств, концентрации, расхода сточных вод и необходимой степени очистки. Для предварительной очист­ки сточные воды пропускают через решетки, с отверстиями 10—12мм, устанавливаемые перед отстойниками, с целью извлечения крупных механических примесей, которые могут засорить трубы и каналы. Решётки бывают подвижными неподвижными. Их располагают в приемных колодцах. Наи­большее распространение получили неподвижные решетки, совмещенные с дробилками.

Рис. 5.1. Песколовка ще-левая: / — колодец желе­зобетонный; 2 — труба; 3 — лоток.

Рис. 5.2. Песколовка горизонтальная: / — решетка; 2 — пульпопровод; 3 — напор­ный трубопровод; 4 - - гидроэлеватор; 5 — шибер

Отстаивание Применяется для осаждения из сточных вод грубодисперсных примесей в песколовках, отстойниках, гидроциююнах и осветлителях. В осветлителях одновременно с отстаиванием происходит фильтрация сточных вод через слой взвешенных частиц. Песколовки (щелевые, горизон­тальные, вертикальные) применяют для предварительно­го выделения минеральных и органических загрязнений (0,2 0,25 мм). Они устанавливаются перед отстойниками и позволяют выделять минеральные примеси и грубодисперсные частицы, содержащие нефтепродукты. При расходе сточных вод до 100 м³/ч применяют щелевые песколовки (рис. 5.1), при большом расходе — горизонтальные и верти­кальные. Скорость движения сточной воды в горизонталь­ных песколовках принимают в пределах 0,1—0,3 м/с, а в вер тикальных — 0,02—0,05 м/с при времени пребывания воды в отстойнике 30—60 с. Постоянная скорость потока жид­кости обеспечивается конструктивными особенностями пес­коловок.

Основные размеры горизонтальной песколовки, схема которой дана на рис. 5.2, определяются по формулам;

L=vHK/u — длина проточной части;

В =Q/(Hvu) — ширина отделения песколовки;

F=Q/u — площадь в плане,

где v — скорость движения сточной воды, м/с (v = 0,004—0,006 м/с); Н— глубина проточной части песколовки, м; К — коэффициент, учи­тывающий вихревые и струйные образования; и — скорость осаждения механических частиц, м/с; Q — расход сточных вод, м³/сут.

Скорость осаждения частиц зависит от гидравлической крупности и₀ (мм/с) и среднего значения вертикальной со­ставляющей продольной скорости IV:



Горизонтальная песколовка задерживает 15 — 20% ми­неральных примесей из сточных вод. Вертикальная песко­ловка — отстойник из сборного железобетона — по эффек­тивности работы аналогична горизонтальным песколовкам.

Отстойники (нефтеловушки) применяют в качестве пер­вой ступени очистных сооружений для удаления из сточ­ных вод основной массы взвешенных веществ и нефте­продуктов. По направлению движения воды они разделя­ются на горизонтальные, вертикальные и радиальные (рис. 5.3 а, б, в).

Горизонтальный отстойник (рис. 5.3 а) представляет собой прямоугольный резервуар, имеющий два или более одновременно работающих отделения. Вода движется от од­ного конца отстойника к другому. Равномерное распреде­ление сточной воды достигается с помощью поперечного лот­ка. Горизонтальные отстойники рекомендуется применять при расходе сточных вод свыше 15 000 м³/сут.

Рис. 5.3. Отстойники:

а — горизонтальный: / — входной лоток; 2 — отстойная камера; 3 — выходной лоток; 4 — приямок; 6 — вертикальный: / — цилиндрическая часть; 2 — центральная труба; 3 — желоб; 4 — коническая часть; в — радиальный: / — корпус; 2 — желоб; 3 — распределительное устройство; 4 — успокоительная камера; 5 — скребковый механизм

Э
Рис. 5.4. Нефтеловушка: / — скребковый механизм; ^ 2 — нефтесборная труба; 3 — гидроэлеватор.
ффективность отстаивания достигает 60%. Горизонтальная скорость движения воды в отстойнике не превышает 0,01 м/с. Про­должительность отстаивания составляет 1—3 часа. Вер­тикальный отстойник (рис. 5.3 б) представляет собой ци­линдрический или квадратный резервуар с коническим дни­щем. Сточная вода подводится по центральной трубе и движется снизу вверх по желобу. Осаждение происходит в восходящем потоке, скорость движения которого составляет 0,5—0,6 мм/с. Высота зоны осаждения А—5 мм. Эффек­тивность осаждения в вертикальных отстойниках меньше, чем в горизонтальных на 10—20%. Радиальный отстой­ник (рис. 5.3 в) представляет собой круглый в плане ре­зервуар. Вода в нем движется от центра к периферии. Такой отстойник применяется при расходе сточных вод свыше 20 000 м³/сут. Его эффективность достигает 60%.



Для очистки сточных вод от основной массы нефте­продуктов (более 100 мг/л) применяются нефтеловушки преимущественно горизонтального типа (рис. 5.4). Принцип их работы основан на различии в плотности нефтепродуктов и механических примесей. Всплывающую нефть собирают щелевыми поворотными трубами, а твердый осадок удаляют через донный клапан или гидроэжектором. Для обогрева всплывающего слоя нефтепродуктов в зимнее время преду­смотрен паровой подогреватель. Эффективность очистки сточных вод от нефтепродуктов в горизонтальных нефте­ловушках составляет 60—70%, а в многополочных дости­гает 98%.

Осветлители (рис. 5.5) применяют для очистки сточной воды, содержащей органически загрязнёния, путем предва­рительной ее аэрации, флокуляции и отстаивания с последующей фильтрацией через образующийся слой взвешенного осадка в восходящем потоке. Воду с коагулянтом подают в нижнюю часть осветлителя. Хлопья коагулянта и увлекаемые им частицы взвеси поднимаются восходящим потоком воды до тех пор, пока скорость выпадения их не станет равной скорости восходящего потока (сечение I — I). Выкис этого сечения образуется слой осадка, через который фильтруется осветленная вода. Осадок удаляется в осадкоуплотнитель, а осветленная вода поступает в желоб, из ко­торого направляется на дальнейшую очистку. Эффектив­ность осветления сточных вод, способных к флокуляции, составляет 70%, в то время как в вертикальных отстойниках она не превышает 40%. Конструкции осветлителей разно­образны и различаются по форме рабочей камеры, наличию или отсутствию дырчатого днища под слоем взвешенного осадка, способу удаления избыточного осадка, конструкции и месту расположения осадкоуплотнителей.

Для выделения из сточных вод тонкодисперсных или жидких веществ, удаление которых отстаиванием затруд­нительно, применяют фильтрование через фильтры с сет­чатыми элементами (микрофильтры, барабанные сетки) и фильтры с фильтрующим зернистым слоем. Фильтры с зер­нистым слоем получили большое распространение. Они под­разделяются на медленные и скоростные (скорые), открытые и закрытые. Высота слоя в открытых фильтрах равна 1—2 м, в закрытых — 0,5—1 м. Напор воды в закрытых фильтрах создается насосами.


Медленные фильтры используют для фильтрования не­коагулированных сточных вод. Скорость фильтрования в них зависит от концентрации взвешенных частиц. При со­держании взвешенных примесей в сточных водах до 25 мг/л принимают скорость фильтрования 0,2—0,3 м³/ч; при 25— 50 мг/л ОД—0,2 м³/ч. Достоинством таких фильтров является высокая степень очистки, недостатком — большие размеры, высокая стоимость и сложность удаления осадков.

Скоростные фильтры (рис. 5.6) могут быть двух типов: однослойные и многослойные. У однослойных фильтров фильтрующий слой состоит из однородного материала, у многослойных — из смеси различных материалов (песок, антрацит и др.). Сточная вода проходит через фильтрующий материал и удаляется из фильтра. После засорения фильт­рующего материала проводят его промывку, подавая про­мывную воду снизу вверх. Общая высота слоя загрузки со­ставляет 1,5—2,0 м. Скорость фильтрования принимается равной 12—20 м/ч. Для более эффективной очистки фильтров используют водо-воздушную промывку, при которой зер­нистый слой сначала продувается воздухом для взрыхления, а затем подается вода. Интенсивность подачи воздуха изменяется в пределах от 18 до 22 л (м²/с), а воды — от 6 до 7 л (м²/с). После отстаивания сточные воды содержат тонкодис­пергированные нефтепродукты, которые можно выделить фильтрованием. В качестве фильтрующего материала приме­няют кварцевый песок, керамзит, графит, кокс, полимерные материалы. При фильтровании сточных вод, содержащих нефть, через песчаный фильтр адгезия гидрофильных зерен песка и гидрофобных нефтяных частиц происходит в ре­зультате неодинаковых гидрофильных свойств отдельных участков поверхности зерен песка. Сила адгезии частиц нефтепродуктов зависит от энергии поверхностного натяже­ния и размера частиц нефтепродуктов. Для нормальной ра­боты фильтра исходное содержание нефтепродуктов в сточ­ной воде не должно превышать 60—80 мг/л, а механических примесей — 50 мг/л.

Для очистки нефтесодержащих сточных вод внедрена промышленная установка «Кристалл» (рис. 5.7). На этой ус­тановке были испытаны клеевые объемные фильтровальные материалы сипрон и вазопрон, которые показали высокую адсорбционную активность к нефтепродуктам. Практичен кое применение находит эффективный фильтрующий ма­териал пенополиуретан (ППУ), 1 дм² которого поглощает 950—980 г нефтепродуктов. Пенополиуретан регенерируют так же, как нетканые материалы; при этом с него удаляется до 95% нефтепродуктов. Применение этого материала позво­ляет проводить фильтрование со скоростью 15—30 м³/ч. На основе пенополиуретана разработаны фильтры «Полимер» для очистки сточных вод от масел и нефтепродуктов. Фильт­ры представляют собой прямоугольные в плане емкости, заполненные измельченным пенополиуретаном (рис. 5.8). Сточные воды поступают в верхнюю часть фильтра и равномерно распределяются по всей площади загрузки. Прой­дя слой ППУ, стоки освобождаются от масел, нефтепро­дуктов, взвешенных веществ и по обводному трубопроводу выводятся из фильтра, регенерация которого осуществляется

механическим отжимом.

Общая схема очистных сооружений включает песко­ловки, нефтеловушки и фильтры «Полимер». Работа по та кой схеме позволяет получить высокую степень очистки, обеспечивающую возможность использования воды в оборо­те, а также дает большую экономию средств. Внедрение фильтров «Полимер» более чем в 20 раз повышает грязсемкость кварцевого песка и полистирола, а количество регенерата, образующегося в процессе механического отжатия ППУ, в 30—50 раз меньше количества промывных вод, образующихся при регенерации песчаных и полистироловых фильтров. Производительность такой установки составляет до 600 м³/ч.

Для механической очистки сточных вод от нефтепродуктов применяются также гидроциклоны и центрифуги. Используются напорные и открытые низконапорные гидро­циклоны. Первые применяются доя осаждения твердых при­месей, вторые - - для удаления осаждающихся и всплы­вающих примесей. Эти циклоны характеризуются высокой производительностью и небольшой стоимостью. Гидроциклоны рекомендуется применять взамен песко­ловок или отстойников при недостатке площади для их раз­мещения (около моечных машин для грубой очистки мою­щего раствора, установок наруж­ной обмывки локомотивов, авто­машин и т.п.), а также для кон­центрирования и отмывки от нефти осадка из отстойных соо­ружений. В гидроциклонах дей­ствуют центробежные силы, от­брасывающие тяжелые частицы к периферии потока. При вы­сокой скорости вращения цент­робежные силы значительно больше сил тяжести. Из напор­ных гидроциклонов наибольшее распространение получил аппа­рат конической формы. Сточная вода подается внутрь гидроциклона. При вращении воды под действием цент­робежной силы внутри гидроциклона образуется ряд пото­ков. Жидкость, войдя в цилиндрическую часть, приобретает вращательное движение и движется около стенок по вин­товой спирали вниз к сливу. Часть ее крупными частицами удаляется из гидроциклона. Другая, осветленная часть, по­ворачивает и движется вверх по оси гидроциклона. В центре образуется воздушный столб, давление которого меньше ат­мосферного. Он оказывает влияние на эффективность ра­боты гидроциклонов.

Напорные гидроциклоны применяют для выделения из воды грубодисперсных минеральных примесей с плотностью 2—3 г/см³ (песка, частиц кирпича, шлака) при разме­рах частиц свыше 0,05—0,1 мм и гидравлической крупности 2—5 мм/с. Эффект очистки от взвешенных веществ в на­порных гидроциклонах для щелочных моющих растворов составляет 40—50%, а для стоков от промывки грузовых вагонов — 30—40%. Открытые безнапорные гидроцикло­ны применяют для грубой очистки сточных вод от круп­ных примесей (более 5 мм/с) и нефтепродуктов. От напорных гидроциклонов они отличаются большей произ­водительностью и меньшим гидравлическим сопротивле­нием. Эффект очистки в открытых гидроциклонах состав­ляет 50—60%.

Для удаления осадков из сточных вод могут быть ис­пользованы фильтрующие и отстойные центрифуги. Фильт­рующие центрифуги применяют для разделения суспензий, когда требуется высокая степень обезвоживания осадка и эффективная его промывка, а также в тех случаях, когда используется обезвоженный осадок и достаточно чистый фильтрат. Из отстойных центрифуг непрерывного действия в системах очистки сточных вод наибольшее распро­странение получили горизонтальные шнековые центрифуги типа ОГШ. Их используют для выделения частиц гидрав­лической крупностью примерно 0,2 мм/с (противоточные) и 0,05 мм/с (прямоточные).

2.