Нормирование качества воды в водоемах

Классификация примесей и их влияние на гидробионты.

Свойства, классификация и ресурсы вод.

ЗАЩИТА ВОДНОГО БАССЕЙНА

ЛЕКЦИЯ 16.

План лекции:

1. Свойства, классификация и ресурсы вод.

2. Классификация примесей и их влияние на гидробионты.

3. Нормирование качества воды в водоемах.

4. Методы контроля качества воды.

5. Расчет допустимого состава сточных вод.

6. Количественные оценки водопотребления и водоотведения.

Вода играет решающую роль во многих процессах, протекающих в при­роде, и в обеспечении жизни человека. В промышленности воду используют как сырье и источник энергии, как хладоагент, растворитель, экстрагент, для транс­портирования сырья и материалов и др. целей.

Особенностью внутреннего строения молекулы воды является не­симметричное расположение атомов водорода относительно атома кислорода. В результате этого внутримолекулярные силы компенсируются не полностью, и их избыток проявляется вне молекулы. В силу асимметричного распределе­ния положительных и отрицательных зарядов молекула воды обладает ярко выраженной полярностью, значительно превосходящей разделение зарядов у других веществ. Этим объясняется хорошая способность воды растворять многие вещества.

Вода - наилучший растворитель для многих газов, жидкостей и твердых соединений. В то же время вода химически не изменяется под действием большинства соединений, т.к. является инертным растворителем. Этим обес­печивается полноценное питание живых существ и возможность многократно­го использования в природе и технологических процессах.

Вода обладает наибольшим поверхностным натяжением из всех из­вестных жидкостей, за исключением ртути. Это свойство обусловливает воз­можность движения воды в стеблях растений, стволах деревьев, движение кро­ви в тончайших сосудах организмов.

Химически чистая вода обладает следующими физическими свойс­твами: плотность при температуре 0°С - 1 г/см³, температура плавления - 0°С, температура кипения - 100°С, не обладает запахом и вкусом. Наибольшую плотность вода приобретает при температуре около 4°С, при замерзании уве­личивает объем примерно на 10%.

Ресурсы воды. Общее количество природной воды на земле сос­тавляет 1386 млн. км³. В основном (свыше 97,5 %) - это соленые воды. Количе­ство пресной воды - 35 млн. км³. Подавляющая часть пресной воды является труднодоступной для людей, так как она в основном находится в полярных ледниках и водоносных слоях под землей. В России запас пресных поверх­ностных вод составляет 40,5 тыс. км. Объем потребления пресной воды в мире достигает приблизительно 3900 км³/год. Около половины этого количест­ва потребляется безвозвратно, а другая половина превращается в сточные во­ды.

Природная вода - это вода, которая качественно и количественно формируется под влиянием естественных процессов при отсутствии антропогенного воздействия. Ее качественные показатели находятся на естественном среднемноголетнем уровне. Классификация воды в зависимости от степени минерализованности приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация вод

По преобладающему аниону все воды делятся на гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные.

Жесткость природных вод обуславливается присутствием в них солей кальция и магния и выражается концентрацией ионов Са²⁺ и Мg²⁺ в ммоль-экв/л. Различают общую, карбонатную и некарбонатную жесткость. Общая жесткость представляет собой сумму двух последних, карбонатная связана с присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния, а некарбонатная - сульфатов, хлоридов, нитратов кальция и магния.

Сточные воды. В производстве образуются различные категории сточных вод.

Сточная вода - это вода, бывшая в бытовом, производственном или сельскохозяйственном употреблении, а также прошедшая через какую-либо за­грязненную территорию. В зависимости от условий образования сточные во­ды делятся на бытовые или хозяйственно-фекальные (БСВ), поверхностные и производственные (ПСВ).

Бытовые сточные воды предприятий образуются при эксплуата­ции на его территории душевых, туалетов, прачечных, столовых. Они содержат примеси, из которых примерно 58% органических веществ и 42% минеральных. Предприятие не отвечает за качество данных сточных вод и направляет их на городские или районные станции очистки.

Поверхностные сточные воды образуются в результате смыва­ния дождевой, талой, поливочной водой примесей, скапливающихся на терри­тории, крышах и стенах производственных зданий. Основными примесями этих вод являются твердые частицы, нефтепродукты, органические и минеральные удобрения. Каждое предприятие отвечает за загрязнение водоемов, поэтому необходимо знать объем сточных вод данного типа.

Расход сточных вод рассчитывают по методу предельной интенсивности в соответствии со СНиП 2.04.03-85. "Нормы проектирования, кана­лизация, наружные сети и сооружения".

Производственные сточные воды. Они образуются в резуль­тате использования воды в технологических процессах. Их количество, со­став и концентрация примесей определяется типом предприятия, его мощно­стью, видами используемых технологических процессов. В технологических процессах источниками сточных вод являются:

1. воды, образующиеся при протекании химических реакций (они за­грязнены исходными веществами и продуктами реакций);

2. воды, находящиеся в виде свободной и связанной влаги в сырье и исходных продуктах и выделяющиеся в процессе переработки;

3. промывные воды после промывки сырья, продуктов и оборудования;

4. маточные водные растворы;

5. водные экстракты и абсорбенты;

6. воды охлаждения.

Для обеспечения промышленных предприятий нашей страны ежегодно забирается из естественных источников водоснабжения примерно 100 млрд. м³ воды, при этом 90% этого количества возвращается обратно в водоемы с раз­личной степенью загрязненности. Около 10% общего водопотребления прихо­дится на машиностроительные предприятия, где воду используют для сле­дующих целей:

1. охлаждение или подогрев исходных материалов и продукции, дета­лей и узлов технологического оборудования;

2. приготовление различных технологических растворов;

3. промывку, обогащение и очистку исходных материалов или про­дукции;

4. хозяйственно-бытовое обслуживание

.

Химически чистой воды в природе нет. Даже дистиллированная вода содержит микросоединения и растворенные углекислоту, азот, кислород.

Природные воды являются сложными дисперсными системами, со­держащими большое количество разнообразных минеральных и органических примесей. Дисперсной системой называют систему, которая состоит из очень мелких частичек распределенного вещества. При нахождении частичек в моле­кулярно-растворенном состоянии или в виде ионов система называется истин­ным раствором. Это, как правило, гомогенная, т.е. не имеющая внутренних по­верхностей раздела, система. При наличии внутренних поверхностей раздела (гетерогенная система) в зависимости от степени раздробленности примеси образуют коллоидные растворы или взвеси.

В природных водах наряду с неорганическими соединениями почти все­гда присутствуют сложные органические вещества. Наиболее распростра­ненными органическими примесями являются гумусовые вещества, придаю­щие воде окраску. Гумусовые вещества представляют комплекс органических веществ - продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами. В природных водах гумусовые вещества представлены фульвокислотами и гуминовыми кислотами, а также их солями.

Присутствие в природных водах органических соединений обус­ловливает цветность, запах и привкус воды, изменение физических показателей по прозрачности, преломлению света, снижению поверхностного натяже­ния, изменению способности растворять кислород.

Это дало основание акад. Л.А. Кульскому предложить классификацию примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию.

Сущность классификации заключается в том, что все примеси воды по их отношению к дисперсионной среде объединены в четыре группы с общей для них физико-химической характеристикой. Примеси первых двух групп об­разуют термодинамически неустойчивые гетерогенные системы, а примеси двух других групп - термодинамически равновесные и обратимые гомогенные системы. Связь между техникой очистки воды и принадлежностью удаляемых примесей и загрязнений к той или иной группе классификации определяется общими закономерностями, которым подчиняются процессы, происходящие в водной среде в зависимости от физико-химической характеристики этих приме­сей.

Примеси первой группы, к которым относятся грубодисперсные веще­ства, образующие с водой суспензии, эмульсии, пены, а также планктон и па­тогенные бактерии - кинетически неустойчивы, удерживаются во взвешенном состоянии динамическими силами потока. Попадают такие вещества в водо­емы в результате размыва пород, смыва почв, со сточными водами. Наиболее часто эти примеси представлены частицами глины, песка, почвы, ила, а также эмульсиями минеральных масел, нефтепродуктами и т.п. На поверхности час­тиц сорбируются патогенные бактерии, вирусы и т.п. В состоянии покоя для таких систем характерно осаждение (седиментация) частиц или всплытие в зависимости от их плотности. Примеси группы 1 эффективно удаляются под действием сил гравитации, сил прилипания (адгезии).

Таблица 1

Классификация примесей воды

Фазовая характеристика	Системы
гетерогенные	гомогенные
Группа	I	II	III	IV
Физико-химическая характеристика	Грубодисперсные примеси: суспензии, эмульсии, планктон, патогенные микроорганизмы	Примеси коллоидной степени дисперсности, органические, неорганические вещества, вирусы	Примеси молекулярной степени дисперсности: газы, органические вещества	Примеси ионной степени дисперсности: соли, кислоты, основания
Поперечный размер частицы, см	10^-1-10^-5	10^-6	10^-7	10^-8

Примеси второй группы представляют собой коллоидные растворы, со­стоящие из гуминовых и фульвокислот, высокомолекулярных соединений есте­ственного происхождения и попадающих со сточными водами, вирусы и другие микроорганизмы коллоидной степени дисперсности. Примеси второй группы образуют с водой кинетически и агрегативно ус­тойчивые системы. Кинетически устойчивость данных примесей характеризует­ся соотношением сил гравитационного поля и броуновского движения, приме­си практически не оседают, время седиментации измеряется годами. Эти примеси удаляются в результате коагуляции, сорбции, воздействия окислите­лей.

Примеси третьей группы - растворенные газы, органические соединения биологического происхождения, соединения в производственных и бытовых стоках. Это, как правило, неэлектролиты или слабые электролиты: фенолы, его производные, амины, нитросоединения.

Молекулы примесей третьей группы могут существенно изменять структуру воды и взаимодействовать и с ней, и друг с другом. В первом слу­чае происходит гидратация молекул, во втором - ассоциация. Исключая случай образования химических соединений, эти взаимодействия в основном обу­словлены силами Ван-дер-Ваальса.

Молекулярно-растворенные вещества способны за счет водородных связей образовывать с водой непрочные соединения, существующие лишь в растворе. Большое значение имеют эти связи при ассоциации молекул раство­ренного вещества, необходимым условием возникновения таких связей явля­ется достаточная полярность валентных связей водорода в исходных вещест­вах.

Примеси четвертой группы образуются в результате диссоциации в во­де солей, кислот, оснований. Примеси этой группы удаляются из воды в ре­зультате образования малорастворимых или малодиссоциированных соедине­ний.

Природные воды отличаются от водных растворов минеральных и ор­ганических веществ присутствием сложных сообществ живых организмов и концентрацией химически активных частиц и соединений. С участием этих ор­ганизмов и частиц осуществляется синтез и разрушение органических веществ, преобразование их форм и миграция химических элементов.

Водоем как водный источник связан с окружающей его природной сре­дой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного и подземного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промыш­ленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственна и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых не свойственных ей веществ - загрязнителей, ухудшающих качество воды. При этом возможно химическое, физическое и биологическое загрязнение воды и водоемов.

Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств воды за счет увеличения содержания в ней вредных при­месей как неорганической, так и органической природы.

Физическое загрязнение связано с изменением параметров водной среды и определяется тепловыми, механическими, радиоактивными примеся­ми.

Биологическое загрязнение заключается в изменении свойств воды в результате увеличения количества не свойственных ей видов микроорганизмов, растений и животных, привнесенных извне.

Основными неорганическими загрязнителями пресных и морских вод являются разнообразные химические соединения, токсичные для обитателей водной среды.

Тяжелые металлы поглощаются фитопланктоном, а затем передаются по пищевой цепи более высокоорганизованным организмам. Токсический эф­фект некоторых наиболее распространенных загрязнителей гидросферы представлен в таблице 2.

Таблица 2

Степень токсичности ряда загрязняющих веществ

Вещество	Планктон	Ракообразные	Моллюски	Рыбы
Соли тяжелых металлов
Медь	+++	+++	+++	+++
Ртуть	++++	+++	+++	+++
Свинец	-	+	+	+++
Цинк	+	++	++	++
Кадмий	-	++	++	++++
Неорганические вещества
Хлор	-	+++	++	+++
Цианид	-	+++	++	++++
Фтор	-	-	+	+++
Сульфид	-	++	+	+++

Кроме перечисленных в таблице веществ, к опасным загрязнителям водной среды можно отнести неорганические кислоты и основания. Они обусловли­вают широкий диапазон рН водной среды промышленных стоков (1,0-11,0) и способны изменять рН водной среды ниже 5,0 и выше 8,0, тогда как рыба в пресной и морской воде может существовать только в интервале рН 5,0-8,5.

Нормирование качества воды рек, озер и водохранилищ проводят в со­ответствии с "Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения" (1988 г). Эти правила устанавливают две категории водоемов (или их участков):

1. водоемы питьевого и культурно-бытового назначения;

2. водоемы рыбо-хозяйственного назначения.

Состав и свойства воды водных объектов первого типа должны соот­ветствовать нормам в створах, расположенных в водотоках на расстоянии 1 км выше ближайшего по течению, а в не проточных водоемах - в радиусе одно­го километра от пункта водопользования. Состав и свойства воды в рыбохозяйственных водоемах должен соот­ветствовать нормам в месте выпуска сточных вод при рассеивающем выпуске (наличие течений), а при отсутствии рассеивающего выпуска - не далее, чем в 500 м от места выпуска.

Нормируемые значения параметров воды водоемов:

1. Содержание плавающих примесей и взвешенных веществ;

2. Запах, привкус, окраска и температура воды;

3. Значение рН, состав и концентрация минеральных примесей и рас­творенного кислорода;

4. Биохимическая потребность в кислороде;

5. Возбудители заболеваний, концентрация и состав ядовитых и вред­ных веществ.

Вредные и ядовитые вещества 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:

1. санитарно-токсикологический;

2. общесанитарный;

3. органолептический.

Для водоемов рыбохозяйственного назначения наряду с указанными используют еще два вида ЛПВ:

4. токсикологический;

5. рыбохозяйственный.

Санитарное состояние водоема отвечает требованиям норм при вы­полнении соотношения:

,

где - концентрация вещества i-ro ЛПВ в расчетном створе водоема, мг/л,

ПДК_i - предельно допустимая концентрация i-ro вещества, мг/л.

Для водоемов питьевого и культурно-бытового назначения проверяют выполнение трех, а для водоемов рыбохозяйственного назначения пяти нера­венств. При этом каждое вещество можно учитывать только в одном неравен­стве. "Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения" запрещают:

1. сбрасывать в водоемы сточные воды, если этого можно избежать (используя рациональную технологию, безводные процессы и системы повтор­ного и оборонного водоснабжения);

2. если сточные воды содержат ценные отходы, которые можно утили­зировать;

3. если сточные воды содержат сырье, реагенты и продукцию пред­приятий в количествах, превышающих технологические потери;

4. если сточные воды содержат вещества, для которых не установлены ПДК.

Дата добавления: 2014-01-04