Межпластовые подземные воды

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Характеристика межпластовых вод как источника водоснабжения

межпластовый вода сточный

Межпластовые подземные воды залегают между двумя водоупорными слоями (рис.1.1.), из которых один - нижний - является водонепроницаемым ложем, а другой - верхний - водонепроницаемой кровлей. Глубина залегания межпластовых вод колеблется от десятков и сотен до тысячи метров и более. Наличие водонепроницаемой кровли препятствует попаданию воды в межпластовые слои из расположенных выше горизонтов. Пополнение межпластовых вод может происходить лишь в местах выклинивания водоносного горизонта на поверхность. Обычно зоны питания залегают на значительном (сотни километров) расстоянии от места водозабора. Чем больше это расстояние, тем надежнее защита межпластовых вод от поступления загрязнений с поверхности. Добыча межпластовых вод производится через буровые скважины.

В зависимости от условий залегания межпластовые воды могут быть напорными или безнапорными. Их отличительная особенность - залегание ниже одного, двух или нескольких слоев водоупорных пород и отсутствие питания с поверхности непосредственно над ними. В каждом межпластовом водоносном горизонте различают область питания, где горизонт выходит на поверхность, область напора и область разгрузки, где вода изливается на поверхность земли или дно реки, озера в виде восходящих ключей. Чаще всего межпластовая вода заполняет всю толщу водосодержащей породы (песчаной, гравелистой или трещиноватой) между водоупорными слоями.

При этом давление, под которым находится вода в водоносном слое, становится выше атмосферного. Если прорезать водонепроницаемую кровлю скважиной, то благодаря чрезмерному давлению вода в ней поднимается, а иногда даже выливается на поверхность в виде фонтана. Такая межпластовая вода называется напорной, или артезианской, а уровень, на который она поднимается в скважине самотеком, называется статическим. Безнапорные межпластовые воды не способны подниматься самостоятельно, их статический уровень в скважине соответствует глубине залегания.

1-водоупорные слои; 2-горизонт грунтовых вод; 3-горизонт межпластовых безнапорных вод; 4-горизонт межпластовых напорных вод; 5-колодец, питающийся грунтовой водой; 6-скважина, питающаяся из межпластового безнапорного горизонта; 7- скважина, питающаяся из межпластового напорного (артезианского) горизонта.

Рисунок 1.1- Залегание межпластовых вод

Условия формирования и залегания (наличие водоупорного перекрытия, большое расстояние от мест выклинивания, значительная глубина залегания) определяют главную особенность межпластовых вод - постоянство количественных и качественных характеристик. Именно постоянство физических свойств и химического состава является важнейшими показателями санитарной надежности межпластового водоносного слоя. Какие-либо изменения хотя бы одного из показателей качества межпластовой воды являются сигналом о поступлении в ее слой воды из размещенных выше горизонтов, то есть сигналом о возможном загрязнении.

Надежно перекрытые межпластовые воды отличаются от грунтовых невысокой температурой (5-12 °С), постоянным физико-химическим составом, постоянным уровнем и значительным дебитом. Они прозрачные, без цвета, часто - без запаха и какого-либо привкуса. Концентрация минеральных солей в них выше, чем в грунтовых водах, и зависит от химического состава породы, в которой они накапливаются и передвигаются. Межпластовые воды - пресные, но могут иметь разную степень минерализации, вплоть до высокоминерализованных. Степень минерализации определяет другие показатели качества межпластовой воды (в частности, вкус и привкус) и коррелирует с содержанием хлоридов, сульфатов, солей жесткости (кальция и магния) и т. п. Межпластовые воды преимущественно щелочные (pH > 7) благодаря наличию гидрокарбонатов щелочных и щелочно-земельных металлов. Иногда могут содержать много железа (II) в виде гидрокарбонатов, марганца (II) в виде сульфатов, сероводорода. Последний образуется в межпластовых водах в результате химических превращений некоторых минеральных солей: восстановления сульфатов, разложения сульфидов металлов по реакции

FeS₂ + 2СО₂ + 2Н₂О = H₂S + S^4- + Fe(HCО₃)₂

при взаимодействии сернокислых солей, растворенных в воде, с битумозными глинами, торфом, нефтью и т. п. Иногда в межпластовых водах выявляют аммонийные соли, которые, как и сероводород, имеют исключительно минеральное происхождение. При отсутствии свободного растворенного кислорода в глубоких межпластовых водах создаются условия для восстановления нитратов в нитриты и аммонийные соли. Поэтому относительно высокое содержание в межпластовых водах сероводорода и аммиака иногда бывает естественным и не свидетельствует об их загрязнении. В природных биогеохимических провинциях, связанных с залежами полиметаллических руд, межпластовые воды могут содержать значительное количество тех или иных микроэлементов, в частности мышьяка, свинца, кадмия, ртути, хрома и др. Межпластовые воды Бучакского водоносного слоя (Полтавская область Украины) отличаются высоким содержанием фтора. Разумеется, что такие воды невозможно использовать для хозяйственно-питьевого водоснабжения без специальной обработки.

Безусловным преимуществом межпластовых вод является почти полное отсутствие микробной контаминации. Благодаря длительной фильтрации и наличию водоупорной кровли, защищающей межпластовые воды от загрязнения, они почти не содержат микроорганизмов, тем более патогенных. Такие межпластовые воды эпидемически безопасны и не нуждаются в обеззараживании.

Межпластовые воды, в связи с условиями их формирования и залегания, надежностью перекрытия водоупорными слоями, постоянством состава и достаточно большим дебитом, имеют явные преимущества перед другими источниками водоснабжения и с гигиенической точки зрения заслуживают высокой оценки. В большинстве случаев они обладают высоким качеством - им присущи положительные органолептические свойства, физиологически благоприятный минеральный, в том числе микроэлементный, состав, отсутствие или очень низкое содержание вредных (токсических) химических веществ, эпидемическая безопасность. Поэтому их используют без предварительной обработки.

Санитарные достоинства глубоких подземных вод очень велики: они редко требуют дополнительного улучшения качества, обладают сравнительно устойчивым химическим составом и природной чистотой в бактериальном отношении, характеризуются высокой прозрачностью, бесцветностью, отсутствием взвешенных веществ и приятны на вкус.

Химический состав подземных вод формируется под влиянием химического (растворение, выщелачивание, сорбция, ионный обмен, образование осадка) и физикохимического (перенос веществ фильтрующих пород, смешение, поглощение и выделение газов) процессов. В подземных водах найдено около 70 химических элементов. Недостатком их часто является высокое солесодержание и, в ряде случаев повышенное содержание аммиака, сероводорода и ряда минеральных веществ - фтора, бора, брома, стронция и др. Наибольшее значение для хозяйственно-питьевого водоснабжения имеют фтор, железо, соли жесткости (сульфаты, карбонаты и бикарбонаты магния и кальция). Реже встречаются бром, бор, бериллий, селен, стронций.

Характерной особенностью межпластовых вод является отсутствие в них растворенного кислорода. Тем не менее микробиологические процессы оказывают существенное влияние на их состав. Серобактерии окисляют сероводород и серу до серной кислоты, железобактерии образуют конкреции железа и марганца, которые частично растворяются в воде; некоторые виды бактерий способны восстанавливать нитраты с образованием азота и аммиака. Химический солевой состав различных горизонтов подземных вод колеблется, их минерализация достигает иногда высоких пределов, и тогда они непригодны для водоснабжения населенных мест.

Чем дальше отстоит место водозабора (буровая скважина) от границы зоны питания или разгрузки и чем лучше защита от проникновения вышележащих вод, тем характернее и постояннее химический состав межпластовых вод. Постоянство солевого состава воды - важнейший признак санитарной надежности водоносного горизонта. На формирование состава подземных вод оказывают большое влияние естественные и искусственные факторы. Изменения в солевом составе воды глубоководной артезианской скважины должны рассматриваться как признак санитарного неблагополучия. Причиной таких изменений может быть:

а) поступление воды из вышележащего горизонта, в частности грунтовых вод, при недостаточной плотности изолирующего слоя, затекании вдоль стенок скважины, через заброшенные колодцы, при разработке карьеров, при нерациональной эксплуатации горизонта, отборе воды, превышающем его водообильность, сопровождающееся изменением минерализации;

б) фильтрация речной воды через промоины в водоупорном ложе русла;

в) загрязнение через устье скважины.

В некоторых случаях возможно и бактериальное загрязнение воды. Одной из причин загрязнения подземных вод являются промышленные сточные воды, которые инфильтрируются из накопителей, хвосто- и шламохранилищ, золоотвалов и т.п. в случае неудовлетворительной их гидроизоляции. Инфильтрация промышленных загрязнений наблюдается и с полей фильтрации, которые до недавнего времени использовались для обезвреживания промышленных сточных вод. Проникновению сточных вод через водоупорные горизонты способствуют поверхностно-активные вещества, присутствующие в большинстве промышленных сточных вод.

При эксплуатации скважины в определенной части водоносного горизонта в результате присасывающего действия водоподъемных устройств развивается зона пониженного давления воды. Степень понижения зависит от мощности водоподъемника, высоты давления в горизонте до его эксплуатации и водообильности горизонта. Наибольшего значения понижение давления достигает вокруг скважины, постепенно снижаясь по мере удаления от нее. Объем водоносной породы, на котором сказывается присасывающее влияние водоподъемника при его работе, получил вследствие характерной формы название «воронка депрессии». Наличие и размеры воронки депрессии изменяют гидрогеологические условия в водоносном горизонте, снижая его санитарную надежность, так как появляется возможность притока воды из выше- и нижележащих водоносных горизонтов через трещины и гидравлические окна в разделяющих их водоупорных пластах.

Территория на поверхности земли, соответствующая границе воронки депрессии, в наибольшей мере может служить источником загрязнения подземных вод, что учитывается при организации зон санитарной охраны водоисточника.

Межпластовые воды вследствие защищенности от поверхностного загрязнения, постоянства состава и достаточно большого дебита высоко оцениваются с санитарной точки зрения и при выборе источника хозяйственно-питьевого водоснабжения имеют преимущество перед другими водоисточниками. Весьма часто межпластовые воды могут использоваться для питьевых целей без предварительной обработки. Единственным принципиальным ограничением выбора их в качестве источника хозяйственно-питьевого водоснабжения является недостаточная водообильность горизонта по сравнению с намечаемой мощностью водопровода.

1.2 Прямоточная система водоснабжения

Система водоснабжения промышленного предприятия представляет собой комплекс сооружений, оборудования и трубопроводов, обеспечивающих забор воды из природного источника, очистку и ее обработку, транспортирование и подачу воды потребителям требуемых расходов и качества.

В системах технического водоснабжения предусматриваются также сооружения и оборудование, необходимое для приема отработавшей воды и подготовки ее для повторного использования, а также станции очистки сточных вод.

Прямоточная схема применяется для хозяйственно-питьевого и противопожарного водоснабжения, т.к. повторное использование воды этими потребителями исключается. Данная схема водоснабжения реализуется в пищевой и фармацевтической промышленностях как технологические.

Последовательная или прямоточная система (рисунок 2.1) подачи воды на производственные нужды со сбросом очищенных сточных вод в водоем допускается только при невозможности или нецелесообразности применения системы оборотного водоснабжения. При прямоточном водоснабжении вся забираемая из водоема вода после участия в технологическом процессе (в виде отработавшей) возвращается в водоем, за исключением того количества воды, которое безвозвратно расходуется в производстве. Поэтому, производительность водозаборных устройств, очистных сооружений и насосов первого подъема приходится выбирать из условий покрытия полной потребности предприятия в воде за сутки максимального водопотребления. Это увеличивает размеры и мощности этих элементов, а, следовательно, удорожает их. Возрастает и потребление электроэнергии. Кроме того, требуется выбрать источник с достаточным дебитом воды. Сточные воды в зависимости от вида загрязнений и других условий перед сбросом в водоем должны проходить через очистные сооружения. В этом случае количество сбрасываемых в водоем сточных вод уменьшается на величину потерь воды с шламом.

Прямоточные системы предполагают однократное использование воды с последующей очисткой загрязненных сточных вод перед сбросом в городскую канализацию или поверхностные водоемы. Такая технология использования воды, нередко высококачественной питьевой, является не только расточительной, но и потенциально опасной для больших контингентов населения. Прямоточное использование воды для технического водоснабжения можно допускать только при обосновании нецелесообразности систем оборотного водоснабжения или невозможности их оборудования.

Прямоточные схемы СТВС могут быть выполнены по схеме, изображенной на рис. 2.1:



1 - источник; 2 - водозаборное сооружение; 3.1 - насосная станция первого подъема; 3.2 - насосная станция второго подъема; 4.1 - очистные сооружения природной воды; 4.2 - очистные сооружения сточных вод ПП; 5 - резервуар чистой воды; 6 - водоводы; 7 - напорная регулирующая емкость (водонапорная башня); 8 - водонапорная сеть ПП; 9.1-9.4 - потребители воды на предприятии; 10 - сеть для продувок и сброса отработанной воды; 11 - транспортная сеть к устройствам охлаждения и очистки; 12 - устройства охлаждения технической воды; 13 - линия сбросных вод ПП; 14 - ливневая канализация.

Рисунок 2.1- Прямоточная система водоснабжения.

Вода из источника 1 через водозаборное сооружение 2 и насосную станцию 3.1 поступает в очистные сооружения 4.1, где осуществляется предварительная очистка воды до уровня, соответствующего технологическому процессу. Далее вода собирается в резервуаре чистой воды 5, конструкция и размеры которого определяются суммарной мощностью водопотребления предприятия (бак, башня, пруд и т.д.). Другое назначение РЧВ заключается в том, что с его помощью сглаживаются пиковые нагрузки в период наибольшего водопотребления. Далее по водоводам 6 с помощью насосной станции второго подъема 3.2 вода поступает в водопроводную сеть предприятия 8. Направление перетоков воды в схеме и коммутационные возможности сети зависят от технологии производства и могут быть различны для различных предприятий. По напорной сети предприятия вода направляется потребителям 9.1-9.4. Для поддержания необходимого напора и давления в сети служит водонапорная башня 7. Отработанная вода и ливневые воды, проходя через очистные сооружения 4.2 по сбросной линии 13 сбрасываются в источник.

Система технического водоснабжения (СТВС) реального предприятия малой и средней мощности, выполненная по прямоточной схеме может быть дополнена другими элементами, исходя из условий технологического процесса (установки ХВО, напорные, насосные станции, пруды-отстойники т.д.).

При построении СТВС по прямоточной схеме учитываются следующие соображения:

1. Мощность природного источника. Она должна быть достаточной для сохранения экологической обстановки в регионе.

2. Удаленность предприятия от источника воды. С увеличением расстояния растут дополнительные расходы на транспортировку.

3. Степень предварительной очистки воды и затраты на содержание очистных установок определяется условиями технологического процесса. С точки зрения экологической безопасности прямоточные схемы являются наиболее “грязными”.

1.3 Защита теплообменной аппаратуры от коррозии обработкой воды фосфатами натрия. Отрасль применения. Реагенты. Дозы

Механизм защитного действия фосфатов заключается в том, что образующиеся малорастворимые соединения - метафосфаты кальция или магния - сорбируются на стенках стальных труб продуктами коррозии, которые при этом уплотняются и изолируют металл от воды. При большой концентрации малорастворимых кальциевых или магниевых метафосфатов (50- 100 мг/кг в расчете на Р₂О₅) эти соединения отлагаются непосредственно на металлической поверхности, создавая защитную пленку и без продуктов коррозии.

Для предотвращения коррозии в системах водоснабжения в ФРГ применяются гранулированные труднорастворимые полифосфаты в количестве 2-3 мг/кг. Введение фосфатов в воду осуществляется с помощью шайбовых дозаторов. Другой способ заключается в применении водного раствора фосфата, состоящего из 30 г моконатрийфосфата, 70 г гексаметафосфата натрия (69% Р₂О₅) и 900 г воды.

Для защиты систем водоснабжения, уже подвергавшихся сильной коррозии, рекомендуется метод ускоренного фосфатирования поверхности металла. Для этого спускают воду из системы, отключают водоразборные краны и заполняют ее 12% раствором смеси фосфатов, который циркулирует там около 5 дней. Затем систему вновь дренируют, продувают трубопроводы теплым сжатым воздухом и оставляют открытой еще на сутки. После заключительной 2-часовой промывки систему включают в эксплуатацию. Защитная пленка, образующаяся на поверхности металла, состоит из фосфатов, накипеобразователей и окислов железа (2,65% SiO₂, 4,13% Р₂О₅, 7,0% СаО, остальное Ре₂О₃). Сушка способствует упрочению и длительному сохранению защитных свойств пленки (до 6 месяцев и более); развитие ранее возникших очагов коррозии затормаживается.

Полифосфаты используются также при водоподготовке с целью предотвратить отложение карбоната кальция, устранить выпадение соединений железа в подогревателях и трубопроводах горячей воды. Наиболее эффективны смеси полифосфатов. Лучше всего смеси тетраполифосфата с динатрийфосфатом и триполифосфата с гексаметафосфатом. Температура воды должна быть ниже 75° С.

Для предупреждения коррозии стали часто применяется калгон - стеклообразный фосфат с мольным отношением Nа₂О : Р₂O₅ = 1,1. Установлено, что в результате воздействия калгона на поверхности металла осаждается тонкая защитная пленка из фосфата или одного из его комплексов, которая не ухудшает теплопередачу. Образование такой пленки не зависит от изменения температуры и рН. Скорость этого процесса является функцией скорости подвода стеклообразного фосфата к поверхности металла. Концентрация калгона зависит от состава воды и изменяется от 2 до 100 мг/кг. Практически она лежит в пределах 10-15мг/кг. Высокая начальная концентрация фосфатов приводит к быстрому образованию пленки, после чего можно поддерживать более низкое содержание ингибитора в системе. Образующаяся в результате обработки охлаждающей воды калгоном защитная пленка может сохраняться продолжительный период даже после прекращения подачи ингибитора.

Для ингибирования воды может быть использован также так называемый «металлический фосфат». Он представляет собой медленно растворяющийся негигроскопичный пурпурный продукт, стекловидный при комнатной температуре. Чаще всего его готовят сплавлением марганцевых и цинковых солей с высокотемпературным расплавом фосфата и последующим охлаждением по специальному методу. При растворении этот реагент образует ионы металла и комплексные фосфорно-металлические ионы.

Предложен метод обработки охлаждающей воды, предотвращающий образование отложений карбоната кальция к коррозию. В воду вводят полифосфаты в концентрации 1-40 мг/кг, органический комплексообразующий реагент в концентрации 10-25 мг/кг. Концентрация добавляемых реагентов зависит от количества НСО₃^- в воде. При увеличении содержания НСО₃^- доза комплексообразующего реагента увеличивается, ортофосфатов - уменьшается, полифосфатов - остается неизменной. В качестве комплексообразующих реагентов могут быть использованы поли-аминокарбоновые кислоты, их соли, полиаминоспирты, этилендиа-минтетрауксусная кислота и ее соли. Можно использовать окси-карбоновые кислоты, молекулы которых содержат 4-7 атомов углерода, например, лимонную, глюконовую и другие кислоты. Применяют также обработку воды с помощью смесей: 2п - Nа-полифосфата ZnО * 8Nа₂О * 8Р₂О₅, полифосфата щелочного металла с соотношением Ме₂О : Р₂О₅ = 0,4 ч- 2,0 и комплексообразующие соединения - этилендиаминтетрауксусная, триэтилендиаминтетра-уксусная кислоты и др. В качестве поверхностно-активного вещества предлагается блокполимер окисей этилена и пропилена с молекулярным весом 1500-1200.

Малые концентрации фосфатов не стимулируют язвенную коррозию. Но ингибиторы склонны превращаться в ортофосфаты, которые в результате взаимодействия с кальцием быстро выводятся из раствора, что приводит к снижению концентрации ионов фосфата и вызывает образование шлама, стимулирующего развитие коррозии.

Из числа фосфорнокислых солей наибольшее распространение в качестве ингибитора находит гексаметафосфат натрия (NаРО₃)₆. Количество гексаметафосфата натрия должно быть таким, чтобы все оно связывалось с ионами Са²⁺ в малорастворимое соединение Са[Са₂(РО₃)₆], идущее на формирование защитной метафосфатной пленки. Для образования этого соединения количество гексаметафосфата натрия в расчете на Р₂О₅ (в мг/кг) должно находиться в следующем соотношении с количеством содержащегося в обрабатываемой воде Са²⁺ (в мг/кг):

<3.5 (3.1)

Если количество гексаметафосфата натрия будет превышать указанный предел, то могут образовываться также растворимые соединения вида Nа₂[Fе₂(РО₃)₆]. Переходящее в раствор вследствие коррозии труб железо будет связываться в растворимый метафосфат железа, что способствует ускорению коррозии.

На практике рекомендуется руководствоваться следующими соображениями при выборе количеств гексаметафосфата натрия. В первый период эксплуатации оборудования целесообразно как можно скорее сформировать защитную пленку для прекращения насыщения воды железом. Для этого могут быть применены большие концентрации гексаметафосфата натрия (50 и даже 100 мг/кг), но при непременном условии, чтобы они не выходили за пределы, обусловленные формулой (см. выше). Такие большие дозы гексаметафосфата натрия могут привести к образованию в воде заметной взвеси (вода мутнеет) и поэтому применение их допустимо только при промывке водоводов (работа на сброс). Если вначале эксплуатации оборудования нельзя сбрасывать воду, то рекомендуется ограничиваться 7-10 мг/кг в расчете на Р₂О₅, или 15-20 мг/кг технического гексаметафосфата натрия. В дальнейшем, когда обогащение воды железом практически прекратится, концентрацию гексаметафосфата натрия следует постепенно уменьшать (равномерно в течение 5-7 суток). Если химический контроль покажет, что при этом содержание железа в воде не увеличивается, то можно дойти до 2-3 мг/кг технического продукта. Растворение гексаметафосфата натрия можно ускорить, применив для этого подогретую воду. Однако, чтобы избежать гидролиза гексаметафосфата натрия и перехода его в фосфат, температура воды не должна быть выше 60° С.

Дозирование заготовленного раствора гексаметафосфата натрия должно производиться таким образом, чтобы содержимое бака равномерно расходовалось в течение установленного времени. Расход раствора (NаРО₃)₆ (в л/мин) может быть подсчитан по формуле:

q= (3.2)

где V - полезная емкость бака, м³; п - число полных баков, расходуемых в течение суток.

Основным методом химического контроля при обработке воды гексаметафосфатом натрия является определение содержания железа в воде. Считается, что при содержании соединений железа в воде, обработанной гексаметафосфатом натрия, не выше 0,03 мг/кг, коррозионный процесс практически полностью подавлен.

1.4 Фуникулерные и плавучие водозаборы

При необходимости организации срочного водоотбора, в сложных гидроморфологических условиях, - при большой амплитуде колебания уровней воды, сильно неустойчивом русле, непригодности грунтов для оснований сооружений, могут устраиваться нестационарные водозаборы.

Нестационарные водозаборы подразделяются на следующие типы:

· фуникулерные, перемещаемые по рельсовым путям, проложенным по спланированному береговому склону (рис. 4.1.);

1 - аварийный всасывающий водовод на козлах; 2 - положение насосной станции при работе с использованием аварийного всасывающего водовода; 3 -положение насосной станции при работе во время ледохода; 4 - будка для подъемной лебедки.

Рисунок 4.1- Водозаборное сооружение фуникулерного типа

· плавучие, смонтированные на понтоне и удерживаемые в створе сооружений с помощью якорей (рис. 4.2).



1 - понтон; 2 - гибкие напорные водоводы; 3 - береговые опоры; 4 - соединительный мостик; 5 - трансформаторная подстанция; 6 - рыбозащитные устройства.

Рисунок 4.2- Общая схема плавучего водозаборного сооружения.

В состав водозабора фуникулерного типа входят: водоприемное устройство, рельсовые пути для его перемещения, напорный водовод с патрубками, расположенными через определенные расстояния, электрифицированная лебедка. Водозабор дублируют из расчета, что один работает, а второй перемещается при подъеме или понижении уровня воды в реке.

Водоприемное устройство включает тележку, на которой смонтирован насос со всасывающим водоводом, обратный клапан и водоприемную сетку, или рыбозаградитель. На тележке монтируются также вакуум-насосная установка и павильон облегченной конструкции.

Рельсовый путь укладывают по спланированному и укрепленному от размыва речным потоком берегу. Напорный водовод укладывают в земле параллельно рельсовому пути, патрубки располагают в колодце, где установлены задвижки. Расстояние между патрубками выбирается с условием удобства присоединения насоса при его перемещении в новое положение с помощью гибкого водовода.

Лебедка для передвижения водозаборного устройства располагается на незатопляемых отметках. Здесь же сооружаются и подсобные помещения.

Подвижные водозаборные сооружения устраивают аналогично фуникулерным, они могут перемещаться как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении с перекладкой напорного водовода.

Плавучие водозаборы удобны на реках с обильными наносами, нестационарным ложем и незначительным ледоходом. На реке с интенсивным ледоходом плавучие водозаборные сооружения могут применяться при условии расположения в защищенных акваториях.

В состав плавучего водозаборного сооружения входят: пантон, на котором монтируются насосные агрегаты, рыбозащитные устройства, электротехническое оборудование, транспортно-подъемные механизмы, гибкие напорные водоводы (подвижные или наплавные), береговые опоры, соединительный мостик.

Водоприемные отверстия, перекрываемые рыбозащитным устройством или решетками, устраивают в бортах понтона.

При большой амплитуде колебания уровня воды в реке применяется многопозиционная установка понтона с устройством причальной эстакады.



2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Задание 1

Определить условия сброса сточных вод в водоем, максимальную допустимую концентрацию вредного вещества в сточных водах, сбрасываемых и кратность разбавления сточных вод.

Исходные данные:

Q - расход воды в реке, м³/сутки;

С_ф - фоновая концентрация вредного вещества в реке до сброса сточных вод, мг\л;

Н_ср - средняя глубина реки, м;

V_cp - средняя скорость течения реки, м/с;

L - длина по фарватеру, м;

ц = 1

о =1,5

№ варианта	Q, м3\добу	Сброс сточных вод	Нср, м	Vcp, м/с	L, м	Сф, мг\л
4	3000	Береговой	1,4	0,5	150	Нефть 0,0008 Хром(3+) 0,005

Решение:

Рассчитываем необходимую степень очистки воды для сброса её в поверхностный водоём.

Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

ПДК_Нефти = 0,3 мг/л;

ПДК Cr³⁺ = 0,5 мг/л;

Рассчитываем необходимую степень очистки воды для сброса ее в поверхностный водоем:

n=

С- концентрация вредных веществ в стоке до очистки, мг/л.

ПДК- для каждого вещества для объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

по нефти:

n = = 9266,666667 раз;

по хрому:

n = = 560 раз;

Определяем фактический сброс вредных веществ:

М_ф=q_ст*С_т (1.2)

q_ст - расход воды в потоке, м³/сут;

С_т- концентрация вредных веществ в общем стоке предприятия, мг/л;

М_{ф хром (3+)} = 50,77821* 280= 14217,8988 г/сут

М_{ф нефть}= 287,53074*2780= 799335,4572 г/сут

Определяем коэффициент турбулентной диффузии:

Е= (1.3)

V_ср - средняя скорость течения реки, м/с;

Н_ср - средняя глубина радиуса, м.

Е= = 0,0035

Коэффициент учитывающий гидравлические условия смешения:

а=, (1.4)

- коэффициент, зависящий от места выпуска сточных вод;

- отношение расстояний между местом сброса сточных вод и местом водопользования по фарватеру и по прямой линии;

а_1поток=1,5*1* = 0,061502

а_2поток=1,5*1* = 0,031885

L - расстояние по фарватеру от места выпуска сточных вод до ближайшего створа водопользования, м;

= а* (1.5)

_{1 поток} = 0,061502* =0,1203872;

_{2 поток} = 0,031885* = 0,062284;

Коэффициент определяется по формуле Фролова-Родзиллера:

, (1.6)

Q - расход воды в реке, м³/сут;

_{1 поток} 0,108426;

_{2 поток} 0,619875;

Максимально предельная концентрация вредного вещества в стоке:

С_{ст.пред} = (ПДК - С_р) + ПДК (1.7)

- коэффициент смешения, учитывающий особенности водотока;

Q - расход воды в реке, м³ /сут;

- расход сточной воды, м³/сут;

С_р - фоновая концентрация вещества в реке, мг/л;

ПДК - предельно-допустимая концентрация вещества в воде для данной категории водопользования, мг/л;

С_{ст.пред. хром (3+)} = (0,5 - 0,005) + 0,5 =3,6709 г/м³;

С_{ст.пред. нефть} = (0,3 - 0,0008) + 0,3 = 1,826841г/м³;

Предельно-допустимый сброс определяется по формуле:

ПДС= q_ст*С_{ст пред} (1.8)

С_{ст пред} - разрешенная предельная концентрация вредного вещества в сточных водах, мг/м³.

ПДС _{хром (3+)} = 50,77821 * 3,6709= 186,401731 г/сут;

ПДС _нефть= 364,412451* 1,826841= 665,723606 г/сут;

Для прогнозирования санитарного состояния водоёма определяем концентрацию вещества перед расчётным пунктом водопользования:

С_п.п.в. = (1.9)

_ст - концентрация вещества в сточных водах, мг/л.

С_{п.п.в. хром (3+)} = = 37,812233 г/м³

С_{п.п.в. нефть} = =455,508562 г/м³

Находима кратность разбавления:

n = (1.10)

n_{1 поток} = = 6,514284

n_{2 поток} = = 5,722953

Сравниваем концентрацию вещества перед расчетным пунктом водопользования с ПДК:

С_{п.п.в. хром(3+)} > ПДК _{хром (3+)}

С_{п.п.в. нефть} > ПДК _нефть

Сравнив концентрацию вещества перед расчетным пунктом водопользования с ПДК, по полученным результатам можно сказать, что очистка сточных вод необходима.

Задание 2

Охарактеризуйте влияние вредных веществ, которые содержаться в сточных водах, на экологическую систему водоема и человека.

2.1 Влияние производственных сточных вод содержащие нефть на водоем

Производственные сточные воды нефтеперерабатывающих заводов, как показывают приведенные выше данные, характеризуются: резким нефтяным и сероводородным запахом, низкой прозрачностью, содержанием большого количества плавающих нефтепродуктов.

Из химических загрязнений наиболее часто встречаются: Н₂S, NaНS, Na₂S, H₂SO₄ и в некоторых случаях фенолы.

Производственные воды такого состава совершенно неудовлетворительны в санитарном отношении и при спуске их без очистки в водоем могут оказать на него неблагоприятное влияние, ухудшая гигиенические свойства воды,

Вредное влияние производственных сточных вод на водоем выражается в загрязнении водоема нефтью и нефтепродуктами и в отравлении водоема ядовитыми веществами.

2.2 Загрязнение водоема нефтью и нефтепродуктами

В результате загрязнения водоема нефтью и нефтепродуктами наблюдается:

1) образование пленки нефти на поверхности водоема;

2) отложение тяжелых нефтяных остатков на дне водоема;

3) появление нефтяных запахов и привкуса в воде водоема и в мясе населяющих его рыб;

4) уменьшение растворенного в воде кислорода.

Пленка нефти на поверхности рек наблюдается не только в месте выпуска сточных вод, содержащих нефтепродукты, и ниже его, но и выше по течению. Так, например, на реке в районе крекинг-завода пленка нефти наблюдалась до 50 км ниже выпуска сточных вод и до 500 м выше его.

Образование пленки нефти может происходить при самых малых количествах нефти, попадающей в водоем.

Так, например, опытами установлено, что если пустить каплю нефти на свободную поверхность чистой воды, то нефть расплывается в пленку толщиной в одну молекулу. Если вода загрязнена другими какими-либо веществами, то поверхностное натяжение воды будет меньше и пленка может образоваться не так эффективно.

Часто наблюдаемые на поверхности воды яркие цветные полосы представляют собой тонкие пленки нефти.

Отлагающиеся на дне водоема тяжелые нефтяные остатки (битум, асфальт) могут отравлять донное население водоема, служащее пищей для рыб, следствием чего является исхудание и замор рыбы. Кроме того, эти отложения влияют на запах и привкус воды водоема, ухудшая ее качество.

Отложения происходят, с одной стороны, вследствие выноса тяжелых нефтяных веществ с производственными водами и, с другой стороны, вследствие испарения легких фракций при разрушении пленки, вызывающего погружение на дно оставшихся тяжелых фракций.

На запах и привкус воды влияют также фенолы и различные сернистые соединения - сероводород, меркаптаны и пр. - содержащиеся в сточных водах, загрязненных нефтепродуктами.

При недостаточной очистке сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты, их влияние на водные объекты выражается в появлении нефтяной пленки на поверхности воды, отложении тяжелых нефтепродуктов на дне, появлении «керосинового» запаха в воде. Под влиянием волнений, ветра нефтяная пленка сгоняется к берегам и загрязняет прибрежную растительность. Нефть, выпавшая на дно водного объекта, становится источником вторичного загрязнения. Даже в паводок река не освобождается от донных отложений, нефтяное загрязнение лишь растягивается по дну на большее расстояние.

Запахи воды могут быть вызваны ничтожными количествами нефти; пороговые концентрации по запаху для большинства нефтепродуктов составляют 0,1-0,3 мг/л. «Керосиновый» запах - один из тех показателей, на которые прежде всего жалуется прибрежное население и который препятствует использованию воды для хозяйственно-бытовых и рекреационных целей. Ниже спуска сточных вод нефтезаводов даже без пленки нефтепродуктов на поверхности «керосиновый» запах в летний период обнаруживается на расстоянии десятков километров, а зимой - на значительно большем. Способность придавать воде запах положена в основу нормирования содержания нефтепродуктов в воде.

С целью защиты водных объектов от загрязнения сточными водами нефтепромыслов и нефтеперерабатывающих заводов необходимо проведение комплекса технологических и санитарно-технических мероприятий, в основе которого лежит максимальное использование очищенных стоков в оборотной системе водоснабжения.

2.3 Влияние нефти на здоровье человека

Токсичность нефтепродуктов и выделяющихся из них газов определяется, главным образом, сочетанием углеводородов, входящих в их состав. Тяжелые бензины являются более токсичными по сравнению с легкими, а токсичность смеси углеводородов выше токсичности ее отдельных компонентов. Наиболее вредной для организма человека является комбинация углеводорода и сероводорода. В этом случае токсичность проявляется быстрее, чем при изолированном их действии.

Все углеводороды влияют на сердечно-сосудистую систему и на показатели крови (снижение содержания гемоглобина и эритроцитов), также возможно поражение печени, нарушение деятельности эндокринных желез. Особенности воздействия паров нефти и ее продуктов связаны с ее составом. Нефть, бедная ароматическими углеводородами, по своему действию приближается к бензиновым фракциям. При попадании паров автомобильного бензина через дыхательные пути или в результате всасывания в кровь из желудочно-кишечного тракта, происходит частичное растворение жиров и липидов организма. Бензин поражает центральную нервную систему, может вызвать острые и хронические отравления, иногда со смертельным исходом. Все виды бензина обладают выраженным действием на сердечно-сосудистую систему. Раздражение рецепторов вызывает возбуждение в коре головного мозга, которое вовлекает в процесс подавления органы зрения и слуха. При остром отравлении бензином состояние напоминает алкогольное опьянение. Оно наступает при концентрации паров бензина в воздухе 0.005-0.01 мг/м³. При концентрации 0.5 мг/м³ смерть наступает почти мгновенно. В результате частых повторных отравлений бензином развиваются нервные расстройства, хотя при многократных воздействиях небольших количеств может возникнуть привыкание (понижение чувствительности).

Общее действие керосина сходно с действием бензина, хотя раздражающее влияние его паров на слизистые ткани значительно сильнее. По токсическим концентрациям пары керосина близки к парам бензина, но они воздействуют и на кожу подобно мазутам, газойлям, смазкам, вызывая дерматиты и экземы.

2.4 Влияние нефти на животных и растений

Нефть оказывает внешнее влияние на птиц, прием пищи, загрязнение яиц в гнездах и изменение среды обитания. Внешнее загрязнение нефтью разрушает оперение, спутывает перья, вызывает раздражение глаз. Гибель является результатом воздействия холодной воды, птицы тонут. Разливы нефти от средних до крупных вызывают обычно гибель 5.000 птиц. Птицы, которые большую часть жизни проводят на воде, наиболее уязвимы к разливам нефти на поверхности водоемов.

Птицы заглатывают нефть, когда чистят клювом перья, пьют, употребляют загрязненную пищу и дышат испарениями. Заглатывание нефти редко вызывает непосредственную гибель птиц, но ведет к вымиранию от голода, болезней, хищников. Яйца птиц очень чувствительны к воздействию нефти. Загрязненные яйца и оперение птиц пачкают нефтью скорлупу. Небольшое количество некоторых типов нефти может оказаться достаточным для гибели в период инкубации.

Разливы нефти в местах обитания могут оказать как быстрое, так и длительное влияние на птиц. Испарения от нефти, нехватка пищи и мероприятия по очистке могут сократить использование пострадавшего участка. Сильно загрязненные нефтью сырые участки, приливо-отливные илистые низины способны изменить биоценоз на долгие годы.

Всегда проводилась оценка прямого или опосредованного влияния разливов нефти на популяцию птиц. Восстановление видов зависит от способности к воспроизводству оставшихся в живых и от особенности к миграции с места катастрофы. Гибель и сокращение воспроизводства, вызванные разливами нефти, легче обнаружить на местах или в колониях, чем в масштабе региона или целого вида.

Меньше известно о влиянии разливов нефти на млекопитающих, чем на птиц; еще меньше известно о влиянии на не морских млекопитающих, чем на морских. Морские млекопитающие, которые в первую очередь выделяются наличием меха (морские выдры, полярные медведи, тюлени, новорожденные морские котики) наиболее часто погибают от разливов нефти. Загрязненный нефтью мех начинает спутываться и теряет способность удерживать тепло и воду. Взрослые сивучи, тюлени и китообразные (киты, морские свиньи и дельфины) выделяются наличием жирового слоя, на который влияет нефть, усиливая расход тепла. Кроме того, нефть может вызвать раздражение кожи, глаз и препятствовать нормальной способности к плаванию. Попавшая в организм нефть может вызвать желудочно-кишечные кровотечения, почечную недостаточность, интоксикацию печени, нарушение кровяного давления. Пары от испарений нефти ведут к проблемам органов дыхания у млекопитающих, которые находятся около или в непосредственной близости с большими разливами нефти.

Рыбы подвергаются воздействию разливов нефти в воде при употреблении загрязненной пищи и воды, а также при соприкосновении с нефтью во время движения икры. Однако сырая нефть и нефтепродукты отличаются разнообразием токсичного воздействия на разные виды рыб. Концентрация 0.5 миллионной доли или менее нефти в воде способна привести к гибели форели. Почти летальный эффект нефти оказывает на сердце, изменяет дыхание, увеличивает печень, замедляет рост, разрушает плавники, приводит к различным биологическим и клеточным изменениям, влияет на поведение.

Личинки и молодых рыб наиболее чувствительны к воздействию нефти, разливы которой могут погубить икру рыб и личинки, находящиеся на поверхности воды, а молодь - в мелких водах.

Беспозвоночные являются хорошими индикаторами загрязнения от сбросов в силу своей ограниченности в передвижении.

Растения из-за своей ограниченности в передвижении также являются хорошими объектами для наблюдения за влиянием, которое оказывает на них загрязнение окружающей среды. Опубликованные данные о влиянии разливов нефти содержат факты гибели мангровых деревьев, морской травы, большинства водорослей, сильного длительного разрушения от соли живности болот и пресноводных; увеличение или уменьшение биомассы и активность к фотосинтез у колоний фитопланктона; изменение микробиологии колоний и увеличение числа микробов. Влияние разливов нефти на основные местные виды растений может продолжаться от нескольких недель до 5 лет в зависимости от типа нефти; обстоятельств разлива и видов, которые пострадали.



2.5 Влияние производственных сточных вод содержащие хром на окружающую сред

Установлено, что хром (Cr), содержащийся в питьевой воде в повышенных концентрациях, может оказывать на человека аллергическое, мутагенное и канцерогенное действие, а в случае контакта с кожей и слизистыми оболочками приводить к появлению язв и дерматитов. ПДК в воде Сr³⁺ - 0,5 мг/л.

Специалистами установлено, что тяжелые металлы относятся к наиболее распространенным антропогенным загрязнителям питьевой воды, которые ухудшают ее качество и отрицательно влияют на здоровье населения даже в низких концентрациях. Постепенное увеличение содержания металлов в водозаборах и превышение их фонового уровня (даже в концентрациях ниже ПДК) свидетельствует о техногенном происхождении этих элементов, что должно вызывать настороженность контролирующих органов. Установлено, что постоянное поступление с водой и другими путями металлов (например свинца и кадмия) в концентрациях, не превышающих предельно допустимые, тем не менее формирует высокие их значения в индикаторных биологических субстратах - крови, моче, плаценте, молоке - как следствие длительного накопления в организме. А это повышает риск патологии репродуктивной функции у женщин.

2.6 Влияние хромсодержащих сточных вод на водоем

Хром в большом количестве находится в гидросфере. Поверхностные воды содержат хром в концентрациях 10-²-10-³ мг/л, но в ряде случаев его максимальное содержание может быть намного выше - до 0,112 мг/л, в водопроводной воде средняя концентрация составляет 0,0023, максимальная - 0,079 мг/л. В питьевой воде ПДК Cr³⁺-0,5 мг/л. Для наземных диких животных токсична питьевая вода с содержанием хрома 1,0 мг/л, для домашнего скота - 0,5 мг/л. ЛД₅₀ Cr³⁺ для рыб 117 мг/л., ЛД₅₀ хрома (III) для дафний составляет 0,022 мг/л, для циклопов - 10 мг/л.

Содержание хрома в водных источниках может значительно возрастать вследствие попадания в них сточных вод. В речных водах основная часть хрома мигрирует со взвесями. В морской воде хрома мало - 2·10-⁹ %.

Как отмечалось выше, этот элемент в большом количестве содержится в сточных водах металлургических, автомобиле-, станко-, авиастроительных, текстильных, лакокрасочных, резинотехнических, стекольных, керамических, кожевенных, химических, бумажных, спичечных и многих других производств. В результате недостаточной очистки сточных вод многие предприятия сбрасывают в водоемы большое количество хрома.

Соединения хрома (III) губительно действуют на флору и фауну водоемов и тем самым тормозят процессы самоочищения. При концентрации хрома (III) 0,1мг/л БПК₅ сточных вод снижается на 13-15,8 %, замедляется аммонификация и угнетается нитрификация сточных вод. Хром (III) оказывает менее вредное действие на процессы самоочищения водоемов и снижает БПКз сточных вод при концентрации 1 мг/л на 10 %. Из отдельных соединений хрома (III) особенно вредное действие на процессы самоочищения водоемов оказывают хлорид и сульфат.

Хром (III) в концентрации 1 мг/л задерживает сбраживание осадка на очистных сооружениях, а 10 мг/л тормозит сбраживание осадка в метантенках. При низкой температуре выпадение в осадок соединений хрома (III) замедляется, поэтому отстойники должны находиться в отапливаемых помещениях, иначе зимой осаждение происходить не будет.

Влияние на сельскохозяйственные культуры. Хром в концентрации 5 мг/л вредно действует на растения, при концентрации 10 мг/л - наблюдается заметно выраженный хлороз, а при 15 мг/л задерживается рост. В присутствии никеля вредное действие хрома проявляется при концентрации 2 мг/л. Хром кумулируется в тканях растений.

Все эти данные свидетельствуют о невозможности использования хромсодержащих вод для полива сельскохозяйственных культур.

2.7 Влияние хрома на организм человека

Хром и его соединения могут поступать в организм человека через легкие, желудочно-кишечный тракт, слизистые оболочки, кожу. Механизмы и скорость проникновения их через разные биологические барьеры и среды зависят от физико-химических свойств хрома и его производных, химического состава и условий внутренней среды организма. В результате взаимопревращений между поступившими в организм соединениями хрома и химическими веществами белковой и неорганической природы различных тканей и органов, могут образовываться новые комплексные соединения, обладающие иными свойствами и по другому ведущими себя в живом организме. В силу избирательного накопления в определенных органах и задержки в них, материальная кумуляция хрома может носить первичный или вторичный характер.

Воздействие соединений хрома наблюдается главным образом рак легких, однако у данной группы встречаются намного чаще и различного вида опухоли верхних дыхательных путей. Это связано с токсическим действием соединений хрома, которые вызывают раздражение кожи и слизистых оболочек верхних дыхательных путей с образованием язв. Наиболее часто отмечается развитие язвенных и некротических процессов в носу. В начальном периоде обычно появляются жалобы на насморк, затрудненное дыхание через нос, сухость и боль в носу, кровотечения из носа, першение в горле, кашель на фоне гиперемии и набухания кавернозной ткани раковин носа со скоплением в носовых ходах серозных выделений. В конечном итоге этот процесс доходит до образования глубоких, доходящих до хряща язв. В результате длительного воздействия токсического действия соединений хрома возникает рак дыхательных путей и легких.

Задание 3

Выполнить расчеты водопотребления предприятия (суточное и годовое). Рассчитать убытки, которые несет предприятие за сброс сточных вод.

Исходные данные:

М₁, М₂ ... - количество продукции, выпускаемой предприятием, т;

m_1, m₂ ... - нормы водопотребления в м³ на 1 т продукции;

С₁, С₂ ... - концентрации вредных веществ в общем стоке предприятия, мг / л;

А₁, А₂ ... - показатели относительной опасности сброса загрязняющих веществ в водоем;

- коэффициент, который зависит от того, какая часть примесей удаляется при отстаивании.

№ варианта	М, т	m, м3/т	С, мг/л	А
4	120 120 60 9 90 900 9 90 99	9 10 1 90 110 70 6 10 300	Нефть 2780 Cr3+ 280	20 15	0,5

Решение:

Находим и рассчитываем суточное водопотребление:

Q_сут = , [м³/сут] (3.1)

257-количество рабочих дней в году

m_i - нормы водопотребления в м³ на 1 т продукции;

M_i - количество продукции, выпускаемой предприятием за год, т;

Рассчитываем суточное водопотребление:

Q_сут1 = = 50,77821 [м³/сут]

Q_сут2 = =364,412451 [м³/сут]

Находим общую сумму суточного водопотребления:

Q_{сут. общ.}= Q_сут1+ Q_сут2 [м³/сут] (3.2)

Q_{сут. общ.}= 50,77821+364,412451=415,190661 [м³/сут]

Рассчитываем годовое водопотребление:

Q_год=*M_i , [м³/год] (3.3)

Q_год1 =(9*120)+(10*120)+(1*60)+(90*9)+(110*90)=13050 [м³/год]

Q_год2 =(70*900)+(6*9)+(10*90)+(300*99)= 93654 [м³/год]

Находим общую сумму годового водопотребления:

Q_{год. общ.}= Q_год1+ Q_год2 [м³/год] (3.4)

Q_{год. общ} =13050+93654=106704 [м³/год]

Производим экономическую оценку ущерба от сброса неочищенных стоков:

...