Химия и экология

В состав системы вошли:

два очистных сооружения, трубопровод для транспортировки сырой воды к очистным сооружениям, две станции контроля и управления подачей воды на очистные сооружения, бетонный резервуар на 20 млн. л для распределения чистой воды, станции усилительных распределительных насосов с резервуарами для обеспечения соответствующего давления в нужных местах системы водообеспечения, система управления и отбора проб и небольшая установка для восстановления электрической энергии системы на клапана, задвижки и пр.

Из этого примера можно увидеть, какой состав оборудования необходим для обеспечения населенного пункта чистой водой, насколько важна проблема этого обеспечения, каких громадных капиталовложений она требует и как относятся к этой проблеме в США. Сравните все это с приведенными ниже данными по нашей области.

В Екатеринбург вода поступает из системы поверхностных водохранилищ: Верх-Исетского, Волчихинского и Верхне-Макаровского. Из них главными являются Волчихинское и Верх-Исетское. В Волчихинское водохранилище поступают шахтные сильно загрязненные сточные воды из г. Дегтярска, сточные воды с водосбора и атмосферные потоки с территории Первоуральского промышленного узла. После этого вода направляется на Главную фильтровальную станцию (ГФС), расположенную на Большеконном полуострове, где происходит ее очистка и обеззараживание, после чего грязная часть (шламовые воды) через отстойник и озеро «Здохня» поступает во второй питьевой водоем -- Верх-Исетский пруд. Таким образом, в год, по подсчетам специалистов, во второй питьевой источник поступает до б тыс. тонн взвешенных веществ и загрязнений.

Результаты эколого-микробиологического изучения этого водоема Институтом гигиены труда и профзаболеваний в течение 1993 - 1994 гг. показали, что во всех пробах воды обнаружен стафилококк, лактозоположительные кишечные палочки, периодически появляются вирусы гепатита А. Общее количество бактерий превышает ПДК в 54, а сапрофитных микроорганизмов в 45 раз. К этому следует добавить повсеместное распространение в воде паразитных червей численностью до 40 тыс. экземпляров в 1 м3.

«Питьевая» вода в Екатеринбурге относится к V--VI классам с очень высокой степенью загрязнения. По мнению специалистов, Верх-Исетский пруд должен быть исключен из любых видов пользования, в том числе купания.

Из-за неудовлетворительного состояния водопровода г. Екатеринбурга наблюдается ежегодное увеличение потерь воды. Величина потерь больше, чем объем воды, используемый на горячее водоснабжение г. Екатеринбурга, который составил в 1994 году 53,15 млн. м3/год.

Установлено загрязнение органическими соединениями воды поверхностных и подземных источников водоснабжения (гг. Екатеринбург, Красноуральск, Качканар, Ара-миль, Ивдель и др.).

Качественные характеристики воды поверхностных водоемов и значительного числа эксплуатируемых подземных водоисточников не соответствуют возможностям сооружений водоподготовки из-за значительного исходного содержания органических соединений, железа, марганца, бора, брома, нитратов, аммиака, цветности и др.

После водоподготовки из поверхностных водоемов регистрируется наличие в воде вирусов, повышенных концентраций хлороформа, обладающего влиянием на развитие онкологических заболеваний и неблагоприятных наследственных изменений, остаточных количеств ядохимикатов, солей тяжелых металлов. В 1996 году из водопроводной воды выделен антиген вирусного гепатита в гг. Первоуральске, Асбесте, Нижнем Тагиле, Верхней Пышме, Алапаевске, Ектеринбурге.

В периоды паводков и летом в питьевой воде наблюдаются превышения допустимых норм по остаточному алюминию, железу, марганцу, хлороформу, мутности, цветности, запаху.

ВИДЫ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ. По конфигурации водопроводная сеть можетбыть кольцевой или разветвленной, тупиковой. Гигиенические преимущества -- на стороне кольцевой сети, которая обеспечивает большую надежность и бесперебойность снабжения всех объектов. Кольцевая сеть лучше противостоит действию гидравлических ударов, постоянно промывается непрерывном током воды, поэтому менее загрязняется, чем разветвленная. В тупиковых концах разветвленной системы вода может застаиваться, что влечет за собой образование осадка, являющегося благоприятной средой для размножения микрофлоры: взмучиваясь, он ухудшает орга-нолептические свойства воды.

В качестве материала для водопроводных труб наиболее часто используют чугун, сталь, асбоцемент и железобетон. В последнее время на практике все чаще применяются пластмассовые трубы из полипропилена высокого и низкого давления, стабилизированного полипропилена, полиметилметакрилата.

Перечень новых материалов и реагентов, разрешенных Министерством здравоохранения для применения в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения, имеет раздел, в котором опубликованы материалы, запрещенные для использования при строительстве водопроводов.

Источниками воды для систем хозяйственно-питьевого водоснабжения могут быть поверхностные водные объекты (реки, озера, водохранилища) и запасы подземных вод. Источники водоснабжения находятся под постоянным воздействием различных факторов -- природных и антропогенных. На них оказывают влияние метеорологические явления, условия формирования поверхностного или подземного водного потока, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Надежность работы водопровода тем выше, чем более постоянен состав воды источника водоснабжения. С целью предотвращения эпизодического, периодического или систематического действия факторов, ухудшающих качество воды источника хозяйственно-питьевого водоснабжения, организуются зоны санитарной охраны (ЗСО). Под ЗСО источника водоснабжения понимают специально выделенную территорию, связанную с источником водоснабжения и водозаборными сооружениями.

Зоны санитарной охраны источников хозяйственно-питьевого водоснабжения устанавливаются в составе трех поясов. Назначение первого пояса (зона строгого режима) заключается в защите места водозабора и водозаборных сооружений от загрязнения и повреждения. Территория первого пояса ЗСО должна быть ограждена, на нее не допускаются посторонние лица, запрещается строительство любых объектов, не связанных с нуждами водопровода.

Основной задачей второго и третьего поясов ЗСО поверхностного водоисточника является ограничение микробного загрязнения в створе водозабора, а для подземных источников -- сохранение постоянства природного состава воды в водозаборе, которая в нашей стране, как правило, без обработки используется для питьевых целей.

Для эффективной защиты подземных вод от микробного загрязнения служит второй пояс ЗСО, ограниченный контуром, время движения загрязненного потока от которого до водозабора (скважины) должно быть достаточно для того, чтобы патогенные бактерии и вирусы потеряли жизнеспособность и вирулентность (для грунтовых 400 дней, межпластовых -- 200).

В настоящее время в Свердловской области имеется 845 водопроводов. Половина населения области обеспечивается водой от 49 водопроводных систем, забирающих воду из поверхностных источников. Наиболее неблагоприятно обстоят дела в г. Екатеринбурге (из 48 источников не имеют ЗСО -- 36), Серовском (из 41 -- 9), Шалинском (из 70 -- 20), Ирбитском (из 92 -- 83), Тугулымском (из 6 -- 3), Байкаловском (из 16 -- 16) районах.

Основной причиной ухудшения качества питьевой воды ряда территорий области (гг. Екатеринбург, Нижний Тагил, Каменск Уральский, Алапаевск, Краснотурьинск и др.) является отсутствие необходимых условий защиты от загрязнения водоисточников, нарушение технологических режимов эксплуатации сооружений водоподготовки и разводящих сетей, их аварийное состояние.

Нарушения в части защиты водоисточников от загрязнения приводят к подаче воды, опасной для здоровья населения. В поверхностных источниках централизованного водоснабжения, кроме сбрасываемых сточных вод, представляют немаловажную опасность донные отложения.

ОБРАБОТКА ВОДЫ ИЗ ПОДЗЕМНЫХ ИСТОЧНИКОВ. Качество используемых подземных вод Свердловской области в целом соответствует установленным стандартам. Однако для городов Асбест и Серов на отдельных водозаборах требуется дополнительная очистка, деманганация и обеззараживание.

В нашей стране вода из подземных источников часто употребляется без доочистки, в то время как за рубежом из нее удаляется углекислый газ, железо и марганец. Иногда требуется снижение высоких уровней жесткости, высоких концентраций солей, удаление органических и особенно гумусовых веществ, устранение промышленных

и сельскохозяйственных загрязнений (таких как хлорированные углеводороды или пестициды), уничтожение бактерий или других патогенных организмов. Природа и концентрация загрязняющих веществ в сырой воде определяет выбор средств и оборудования для их удаления.

Раскисление. Для раскисления используются открытые или закрытые аэраторы, такие как каскадные, дегазифи-кационные или спрейерные системы. В процессе раскисления удаляются растворенные в воде углекислый газ, сероводород, метан и другие газы. Для этой цели можно использовать также химические методы, реагенты типа сода или едкий натр (NaOH), известковое молоко, мрамор, доломит и другие натуральные или синтетические раскисляющие средства.

Удаление железа и марганца. Для удаления из воды железа и марганца используются как гравитационные, так и напорные фильтры с одним или несколькими фильтрующими слоями.

Умягчение. Высокая карбонатная жесткость контролируется осаждением с известковым молоком, реже ионным обменом.

Дезинфекция. Окончательная дезинфекция обработанной воды обычно осуществляется хлором или хлорсодержащими соединениями, такими как диоксид хлора. В последнее время для стерилизации воды получили распрост ранение ультрафиолетовое облучение и озонирование.

Обработка загрязненной воды из подземных источников. Сейчас подземные источники, используемые для питьевой воды, содержат осадочные продукты сельскохозяйственных химикатов, пестицидов, поступающих вместе со стоками с полей, растворителей, хлорированных углеводородов химической промышленности.

Так, Североуральский бассейн подземных вод, в состав которого входит Кальинское месторождение, содержит повышенные концентрации нитритов. Дополнительные методы обработки включают в себя десорбирование, добавку угольной пудры и/или фильтрацию через слой активированного угля.

5.2 Технологии очистки грунтовых вод

Грунтовые воды имеют важное значение для жизнедеятельности всех живых существ. Они питают подземные и поверхностные источники, используются растениями и другими организмами. Загрязнение грунтовых вод может серьезно сказаться на качестве питьевой воды и на жизнедеятельности живых организмов.

Поэтому в развитых странах грунтовым водам придают очень большое значение и разрабатывают новые технологии их очистки.

Воздушная вентиляция -- один из самых распространенных способов восстановления грунтовых вод и их очистки. При воздушной вентиляции осуществляют инжекцию воздуха или кислорода в водоносный слой для отгонки или смыва летучих загрязнений. При этом воздушные пузырьки проходят через грунтовые воды и захватываются системой паровой экстракции.

Вся система действует на участке как воздушный де-сорбер. Легкие фракции или летучие загрязнения обычно извлекаются через почву скважинами паровой экстракции и в дальнейшем обрабатываются.

Биологическая очистка на месте часто применяется в комбинации с воздушной вентиляцией. Питательные вещества или источник кислорода (например, воздух) закачиваются под давлением в водоносный слой для повышения интенсивности биологического разложения загрязнений в грунтовых водах. Продукты разложения выкачиваются применением воздушной вентиляции.

Обработка пассивными барьерами аналогична обработке химическими барьерами из жидкой глины.

Загрязненная грунтовая вода контактирует с барьером и начинается химическая реакция. Один из типов обработочного барьера -- известковый барьер, который повышает рН. Повышение рН эффективно задерживает растворенные металлы в насыщенной зоне. Другой тип пассивного барьера содержит железную начинку, которая дехлорирует хлорные соединения.

При окислении на участке используют соответствующие химические вещества, которые окисляют загрязнения, растворенные в грунтовых водах, превращая их в нерастворимые соединения, которые осаждаются. Применяется при известном составе загрязнений.

Смывание поверхностно-активными веществами (ПАВ) воздействует на жидкие загрязнения, не содержащие воду, повышает растворимость и подвижность загрязнения в воде. Таким образом, эти жидкие загрязнения более легко могут быть подвергнуты разложение в водоносном слое и восстановлены после откачки воды для обработки на поверхности.

5.3Обработка воды из поверхностных источников

Так как ресурсы воды хорошего качества из подземных источников ограничены, возникает необходимость привлечения все большего количества воды из поверхностных источников: рек, озер и водохранилищ. Для обработки воды из поверхностных источников необходим значительно более широкий диапазон методов (см. рис. 62), так как они содержат другие многочисленные загрязняющие вещества, часть из которых просто нежелательна, в то время как другие опасны для здоровья. Этими загрязняющими веществами могут быть: мусор, водоросли, планктон, органика, вещества, придающие воде неприятные вкус и запах, соединения тяжелых металлов, бактерии и другие патогенные микроорганизмы.

Мусор удаляется грубыми и тонкими решетками, перемещающимися ленточными решетками или вращающимися барабанными решетками. На этой стадии удаляются также присутствующие в сырой воде водоросли и планктон.

Удаление коллоидных, взвешенных и растворенных загрязняющих веществ осуществляется в несколько этапов. Процесс очистки воды в этих сооружениях обычно включает в себя:

химическую флоккуляцию с помощью первичных флоккулянтов (соединения железа или алюминия), отделение твердых взвешенных частиц, например воздушной флотацией, фильтрацию песком осадочных продуктов флоккуляции. Довольно часто проводятся предварительная и сопутствующая дезинфекции, а также дополнительная фильтрация воды через активированный уголь с заключительной фильтрацией песком.

1 -- Забор сырой воды.

2 -- Камера химического перемешивания.

3 -- Реакционная камера.

4 -- Камера флоккуляции.

5 -- Распределительная камера.

6 -- Блок наклонных пластин.

7 -- Зона уплотнения отстоя.

8 -- Зона сепарации.

9 -- Канал выпуска чистой воды.

10 -- Насос обратной перекачки отстоя.

11 -- Излишний осадок.

Флоккуляция. Взвешенные частицы могут быть удалены из воды путем агломерации в частицы с размерами, достаточными для осаждения под действием силы тяжести. После ввода коагуляторов отталкивающие электрокинетические заряды частиц нейтрализуются, они прилипают друг к другу, и формируется медленно оседающий флоккулированный осадок из небольших по размеру частиц. Если жидкую массу теперь мягко перемешать, контакт между частицами усилится, и они начнут расти в размерах. Этот эффект, называемый флоккуляцией (flocculation -- образование хлопьев), значительно ускоряется, если проводится при заранее сформированном флоккулированном осадке, так как сформировавшиеся новые частицы наращиваются на уже осажденные, тем самым рост происходит значительно быстрее.

Фильтрация. Заключительная фильтрация (см. рис. 64) в большинстве случаев выполняется с помощью песочных фильтров в бетонных сооружениях, но иногда используются напорные фильтры, размещенные в стальных или бетонных резервуарах.

Предварительная и попутная дезинфекция с целью разрушения вредных организмов, регулирования вкуса и запаха иногда выполняется совместно с озонированием. Очень часто для предотвращения повторного размножения организмов в обработанной воде водопроводной системы используется последующее хлорирование.

Фильтрация -- это наиболее важный этап при очистке любой воды. Однако после некоторого времени работы каждый фильтр должен быть очищен от накопившихся в слое загрязняющих веществ. Это делается с помощью операции обратной промывки. Существенный фактор в успехе обратной промывки -- это конструкция основания фильтра. Она должна обеспечивать равномерное распределение по всему поперечному сечению фильтрующего слоя продувочного воздуха и воды, вводимой для обратной промывки.

АВТОНОМНАЯ ВОДОПОДГОТОВКА

Как бы хорошо мы не очистили воду на фильтровальной станции, пройдя путь по системе водопровода до потребителя, она неизбежно загрязнится вновь, особенно в водопроводных системах нашей области, а пожалуй, и всей России.

Вопрос о наилучшем способе обработки водопроводной воды широко дискутируется. Рынок бытовых устройств обработки воды развивается в мире вот уже на протяжении более сорока лет. За последнее десятилетие в развитых странах спрос и интерес потребителей к бытовым устройствам обработки воды с целью улучшения ее вкуса и увеличения полезных свойств, возрос. На сегодняшний день эта отрасль является одной из наиболее быстро развивающихся в Америке, Европе и Японии.

В основе работы бытовых фильтров лежит несколько технологий. На сегодняшний день самым передовым в подготовке питьевой воды является метод обратного осмоса. Именно этот метод используется на фабриках по производству и розливу питьевой воды в бутылки.

Суть этого метода заключается в том, что вода под напором в водопроводной сети подается на специальную мембрану, представляющую собой спираль. Мембрана пропускает сквозь свои микропоры только молекулы, по размерам сравнимые с молекулами воды. Молекулы примесей, которые, как правило, значительно крупнее молекул воды, смываются водяным потоком в дренаж. Итак, метод обратного осмоса имеет следующие существенные отличия:

очистка на молекулярном уровне, позволяющая эффективно удалять все нежелательные примеси (до 97% удаления), в том числе растворенные соли тяжелых металлов, чего невозможно добиться другими методами;

разделение очищаемой воды на два потока: «грязной» воды и подготовленной для питья;

несмотря на то, что эффективность очистки этим методом близка к дистилляции, очищенная вода остается, в отличие от дистиллированной, насыщенной кислородом, сохраняя свою свежесть.

Помимо мембраны, любая бытовая система имеет еще как минимум две ступени очистки:

предварительный осадочный фильтр позволяет удалить все взвеси и механические примеси, придающие воде мутность;

окончательный угольный фильтр представляет собой гранулированный активированный уголь (в последнее время в развитых странах для его получения применяют жженую скорлупу кокосового ореха, такой уголь по сравнению с березовым, применяемым в отечественных фильтрах, имеет в 3--4 раза выше способность удалять нежелательные примеси, в том числе радионуклиды).

В основе работы некоторых отечественных фильтров лежит технология подачи воды через трековую мембрану (лавсановая пленка толщиной 10 или 20 микрон с диаметром пор 0,2 или 0,4 микрона с плотностью пор до 3000 миллионов отверстий на 1 см2). Для обеспечения работоспособности фильтра требуется только две емкости: одна для очищаемой воды, вторая -- для получения чистой.

В силу того, что питьевая вода в нашем регионе имеет очень низкое качество, необходимы многоуровневые системы, включающие в себя: грубую очистку от железа, марганца, хлора, неприятного запаха и мутности с помощью картриджной Системы; тонкую очистку от всех примесей системами обратного осмоса и бактериологическую очистку ультрафиолетовыми стерилизаторами.

Конструктивное исполнение бытовых фильтров может быть самое различное: от портативных вариантов исполнения, легко умещающихся в дамскую сумочку или кейс, до стационарных систем, требующих специальной установки на кухонную мойку и имеющих свой отдельный кран. Производительность таких «мини-фабрик от 5 до 90 литров в сутки для бытовых и от 0,76 до 27 м .для полупромышленных систем доочистки питьевой воды.

В некоторых системах используется 3--4-х ступенчатые процессы фильтрации (см. рис. 66), объединенные в один узел, производящий качественную питьевую воду. При этом используется различные среды, позволяющие достаточно эффективно удалять различные загрязнения: соединения хлора, свинца, органику и т.д.

Практикум

Говоря об экологических проблемах, мне бы хотелось показать нерациональное использование природных ресурсов на примере такой задачи:

Предположим, что в городе 1 млн. квартир и из-за неисправности водопроводных кранов за 20 секунд вытекает в среднем 10 капель горячей (60 0С) воды. Рассчитайте, какой объём метана (25 0С, 1 атм.) напрасно сжигается на городских тепловых станциях за год. Условия расчета:

объём капли 0,2 мл

воду нагревают от 10 до 60 0С

теплота сгорания метана 880 Дж/моль

на нагрев воды идет 86% выделившегося тепла

удельная теплоемкость воды 4,2 Дж/г * 0С

Решение:

Рассчитаем объемную скорость воды, вытекающей из одного крана V/t=2мл:20с=0,1 мл/с;

Тогда во всём городе за 1 с вытекает 0,1 х 106 мл/с;

Объём воды, вытекающей за год (3,15 х 107 с) V(воды)= (0,1 х 106мл/с) х (3,15 х 107с) = 3,15 х 1012мл;

Масса этой воды m(воды)=3,15 х 1012 г; ((воды)=1 г/мл);

Количество теплоты Q, необходимое для нагревания воды от 10 до 60 0С рассчитаем по формуле: Q=C*m(воды)*(60 0С - 10 0С ), где С - удельная теплоемкость воды;

Q=6,6 x 1014 Дж;

на нагревание воды идёт 86% теплоты, выделяющейся при сгорании метана Q`, следовательно, Q`=(Q*100%)/86%=7,7 х 1014 Дж;

Количество метана, необходимое для получения этой теплоты вычислим по формуле:

=Q`/gm, где gm- молярная теплота сгорания метана; =8,75 х 1011 моль;

Объём метана найдем по формуле V=Vm*=1,96 х 1013 л;

Ответ: за год в таком городе сжигается 1,96 х 1010 м3 газа.

Заключение

В заключение хотелось бы отметить, что, работая над проблемой “химии и экологии”, я сделал следующий вывод: необходима перемена сложившихся стереотипов отношения человека и природы. Она не обречена на веки быть источником неисчерпаемых запасов сырьевых ресурсов и полезных ископаемых. Более того, она не мастерская и даже не лаборатория, где допустимы любые эксперименты.

Вообще природа существует не для человека и он, человек, по отношению к ней никогда не станет властелином. Представление о власти людей над природой оказалось лишь очередным утопическим мифом, который ушёл вместе с веком, веком расточительства.

Устранение устаревшей идеологии нашего отношения к природе предполагает большую работу по перестройке сознания людей. О росте в общественном сознании приоритета экологических ценностей свидетельствует тот факт, что XXI в. наречён мировым сообществом “столетием окружающей среды”, а это значит, что экологический диктат будет определять и экономику, и образование, и культуру; а моя работа - это мой посильный вклад в решение данной проблемы.

Что происходит на свете?

А просто живем,

Просто едим, просто пьем,

Просто мусор бросаем.

Мусор -- горой, только мы

Его не замечаем,

Снова едим, снова пьем,

В общем, просто живем.

Что же за всем этим будет?

А будет финал.

Будет финал,

Только знать бы,

Каким же он будет:

Или природу спасут

Помудревшие люди,

Или планета погибнет,

Как гибнет Байкал.

Список литературы

“Экологический менеджмент (учебное пособие)” - Екатеринбург, 1998г

“Экологический менеджмент (практикум)” - Екатеринбург, 1998г.

“Экология на уроках химии” Кузьменок, Стрельцов, Кумачев - Минск, 1996г.

Приложение к газете “Первое сентября” «Химия» №16 2000г.

Размещено на Allbest.ru