МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Эколого-географический факультет
Кафедра геоэкологии
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕЧНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
(Курсовая работа)
Научный руководитель:
д.г.н., профессор
В.М. Калинин
Автор работы:
А.Ю. Иванов
Тюмень 2009
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….………….…..3
ГЛАВА 1: ХАРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД………………………….……………...…4
1.1. Общие вопросы водоотведения………………………………………………….……..4
1.2.Хозяйственно-бытовые сточные воды………………………………..………….…......6
1.3. Талые снеговые и дождевые сточные воды с территории городов…………….…....8
1.4. Производственные сточные воды………………………………………………….....10
1.5. Сельскохозяйственные сточные воды…………………………………......................11
ГЛАВА 2: ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАЗБАВЛЕНИЯ И САМООЧИЩЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД............................................................................................................................14
2.1.Самоочищение вод…………………………………………………………………......14
2.2.Коэффициенты самоочищения рек Тюменского региона…………………………...16
2.3.Разбавления сточных вод……………………………………………………………....19
ГЛАВА 3:ОЦЕНКА РАССТОЯНИЯ ДО СТВОРА ПРАКТИЧЕСКИ ПОЛНОГО СМЕШИВАНИЯ………………………………………………………………………..…........22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………...……….25
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………….......27
ВВЕДЕНИЕ
Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.
Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой. Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное количество воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод. Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.
Целью работы является изучение материальных источников о состоянии и составе сточных вод и их взаимодействие с водами водоприемника. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:
— собраны литературные источники
— изучено их содержание и выполнен анализ
Курсовая работа состоит из 27 страниц машинного текста, включая 2 таблицы, 2 рисунка и 8 источников литератур.
ГЛАВА 1: ХАРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД
Под водоотведением понимается сброс в какой-либо водоприемник — реку, озеро, водохранилище, пруд, бессточную впадину, использованных вод, которые обычно отождествляются со сточными водами на том основании, что сточные воды по своим физическим, химическим и бактериологическим свойствам, так же как и использованные, отличаются в худшую сторону от исходной природной воды.
Поскольку проблема водоотведения ассоциируется с загрязнением воды, то к ней тесно примыкают и такие проблемы, как загрязнение вод вследствие судоходства и лесосплава, смыв минеральных удобрений и ядохимикатов с сельскохозяйственных полей, сброс сильноминерализованных шахтных и рудничных вод и пр.
До недавнего времени основная масса загрязняющих веществ поступала от населения городов и промышленности. Сейчас не меньшее значение приобретает поступление загрязняющих веществ от сельского хозяйства. (Нежиховский, 1990)
1.1. Общие вопросы водоотведения.
Водоотведение представляет собой, как правило, проблему еще более трудную, чем водоснабжение. Подчас оно сопряжено со значительными материальными затратами на очистку сточных вод и реализацию других водоохранных мероприятий. Кроме того, сброс сточных вод, (очищенных, недостаточно очищенных, вовсе не очищенных) изменяет к худшему качество воды в водоприемнике, служащем в общем случае средой обитания гидробионтов, источником водоснабжения, местом рекреации. Извлечение из земных недр разнообразного сырья, создание новых материалов, изменение объема и характера производства — все это пока заметно опережает темпы роста объема и совершенствования технологии очистки сточных вод.
Область водного потока (река, канал, ручей) или водоема (озеро, водохранилище, пруд), находящуюся под воздействием сточных вод, принято подразделять на зону влияния и зону загрязнения. Зона загрязнения — это зона, где вследствие поступления загрязняющих веществ их концентрация в воде превышает ПДК. Зона влияния — там, где концентрация загрязняющих веществ ниже ПДК, но заметно выше естественной. Понятно, что размеры и местоположение указанных зон зависят от количества и состава сточных вод, условий их поступления, а также от особенностей самого водоприемника (расход воды и скорость течения в реке, условия проточности и наличие течений в озере и др.).
Антропогенные источники загрязнения природных вод чрезвычайно многообразны: здесь ограничимся далеко не полным их перечнем:
— хозяйственно-бытовые сточные воды;
— производственные загрязненные и производственные условно чистые воды;
— талые снеговые, дождевые и поливомоечные воды с территории населенных пунктов и промышленных предприятий;
— удобрения, ядохимикаты и частицы почвы, смываемые талыми и дождевыми водами с сельскохозяйственных полей;
— коллекторно-дренажные воды мелиоративных систем;
— сточные воды животноводческих комплексов, ферм и птицефабрик;
— судоходство и сплав леса;
— сточные воды рекреационных зон;
— отвалы руды, шлака, золы и т. д.;
— минерализованные шахтные, рудничные и карьерные воды;
— подогретые воды тепловых и атомных электростанций;
— свалки мусора, кладбища, скотомогильники;
— торфоразработки;
— надводные и подводные карьеры строительных материалов;
— надводные и подводные свалки грязного грунта;
— атмосферные осадки (в первую очередь кислые дожди). Большинству из перечисленных источников загрязнений присущи тот или иной состав вредных веществ, свое распределение их во времени и пространстве.
По временному признаку можно различать непрерывные или почти непрерывные сбросы загрязняющих веществ (от городов, предприятий, шахт и т.д.) и залповые сбросы (большей частью, при разного рода авариях). Наиболее типичные случаи аварий: прорывы прудов-накопителей (вследствие их переполнения), сбои в работе очистных сооружений (из-за перегрузки, неправильной эксплуатации или производственных неполадок), разрывы канализационных труб и нефтепроводов, возникновение трещин и пробоин в корпусах танкеров и других судов. (Нежиховский, 1990)
Общепринятой классификации сточных вод не существует. Тем не менее можно различать следующие виды загрязнений природных вод:
— минеральные нерастворимые: песок, глина, гравий, частицы руды, шлака, золы и пр.;
— минеральные растворимые: соли, кислоты, щелочи, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ);
— органические растительные: остатки растений, плодов, овощей и злаков, нефтепродукты, мелкие водоросли;
— органические животные: физиологические выделения людей и животных, остатки тканей, клеевые вещества;
— бактериальные и биологические: различные микроорганизмы, дрожжевые и плесневые грибки, гельминты, мелкие животные и рыбы;
— радиоактивные (выражаются в повышенном содержании радионуклидов);
— тепловые (повышение температуры воды в водоеме за счет сброса вод, использованных для охлаждения различных тепловых установок).
Классификация сточных вод может быть также выполнена в зависимости от сочетания и характера примесей (минеральные, органические) и наличия или отсутствия токсических веществ:
— примеси минеральные, нетоксичные; повышается мутность воды, уменьшается прозрачность, изменяется цветность, повышается минерализация;
— примеси минеральные, токсичные; то же, что в предыдущем случае, кроме того меняются физико-химические свойства воды;
— примеси органические, нетоксичные; ухудшаются органолептические свойства воды, создается дефицит кислорода, меняются условия обитания гидробионтов;
— примеси органические, токсичные: ухудшается качество воды по органолептическим и физико-химическим показателям, обедняется водная экосистема. (Нежиховский, 1990)
1.2.Хозяйственно-бытовые сточные воды.
С хозяйственно-бытовыми сточными водами в водоприемник поступают отходы жизнедеятельности людей и домашних животных: фекалии, остатки пищи, мелкий мусор, растворенные соли и пр. Главная особенность указанных вод — это большая бактериологическая загрязненность, в том числе возбудителями различных заболеваний. В 1 дм3
сточной воды содержится около 400 мг бактерий. Суточное выделение кишечных палочек одним человеком колеблется от 10 до 400 млн особей. Число яиц гельминтов в 1 м3
воды от 100 до 700. Органолептические показатели: прозрачность— 1—3 см, цвет — бурый, запах — фекально-гнилостный. Другой особенностью хозяйственно-бытовых сточных вод является постоянство состава, особенно в больших городах, и довольно значительная изменчивость расхода воды во времени.
Количество загрязняющих веществ (г/сут на 1 чел.), поступающих в водоприемник с хозяйственно-бытовыми сточными водами, примерно следующее:
Взвешенные вещества....................65
БПК5
.................................................54
БПКполн ......................................75
Перманганатная окисляемость….6,0
Азот аммонийный..........................8,0
-Фосфаты (P2
O5
)............................3,3
Фосфор минеральный . . .............1,4
Хлориды (Сl-) .............................9,0
СПАВ .........................................2,5
Сульфаты (S04
2
-) ........................4,4
Калий (К2
0) .................................3,0
В каждом конкретном населенном пункте на душу населения норма может заметно отличаться от указанной. Это связано с размерами и благоустройством населенного пункта, нормой водоотведения, климатическими условиями и т. д.
Хозяйственно-бытовые сточные воды служат обычно основным источником поступления в реки и водоемы соединений азота. При этом в аэробных условиях (т. е. при наличии кислорода) отмечается следующий процесс их биологической трансформации: испражнение человека и животного — мочевина окисляется урбабактериями до аммиака (NH4
+
); аммонифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов(NO2
-
); последние окисляются нитрифицирующими бактериями до конечного стабильного соединения — нитратов (NО3
-
). В анаэробных условиях (т. е. при отсутствии кислорода) процесс может идти в обратном направлении. Благоприятное санитарное значение имеет лишь процесс в аэробных условиях. (Нежиховский, 1990)
С хозяйственно-бытовыми сточными водами поступает и основная масса синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ). Под СПАВ понимается обширная группа искусственно созданных человеком веществ, широко применяемых в быту и в промышленности. Особенно много СПАВ в сточных водах текстильных и меховых фабрик, предприятий по первичной переработке шерсти. Степень освобождения от СПАВ на станциях полной биологической очистки, если они мягкие, сравнительно велика (80—90 %), и если они жесткие, невелика (30—40 %). Среднее потребление СПАВ на одного городского жителя 2,5 г/сут. При норме водоотведения 300 л/сут на 1 чел. концентрация в хозяйственно-бытовых сточных водах составит 2,5-103
/300 = 8,4 мг/дм3
. Вместе с промышленностью потребление СПАВ на душу населения примерно составит 3—4 г/сут на 1 чел. Поступая в реку или водоем, СПАВ концентрируются преимущественно в поверхностном слое, образуя хлопья пены, которые легко переносятся ветром. Наличие пены замедляет процесс аэрации. Ухудшаются органолептические свойства воды, появляются неприятный запах (мыльный, канифольный) и привкус воды (обычно горький). Пена способствует повышению стабильности нефтяной пленки, усиливает активность канцерогенных веществ. Наличие избытка СПАВ плохо отражается на состоянии дыхательных органов зоопланктона и рыб. Заметим также, что СПАВ хорошо сорбируется частицами песчаного грунта, а это замедляет процесс самоочищения. (Нежиховский, 1990)
1.3. Талые снеговые и дождевые сточные воды с территории городов.
Талые снеговые и дождевые воды смывают с территории городов и выносят в гидрографическую сеть разнообразные загрязняющие вещества и предметы: мусор, опавшую листву, продукты разрушения дорожных покрытий, выпавшие из атмосферы аэрозоли, нефтепродукты от транспорта, частицы грунта и пр.
Степень загрязнения поверхностного стока с городской территории определяется большим числом разнообразных факторов: плотностью населения, интенсивностью движения транспорта, благоустроенностью местности, объемом и видом промышленного производства. Немалую роль также играют интенсивность снеготаяния, режим выпадения жидких осадков. Всем этим объясняется чрезвычайно большой диапазон колебания концентрации загрязняющих веществ. В городских агломерациях в наибольшей степени концентрируются антропогенные воздействия на ландшафт вообще и водные ресурсы, в частности. С единицы площади городской территории смывается в 2—4 раза больше органических и минеральных веществ, чем с единицы площади сельскохозяйственных угодий. Различие еще больше, если рассматривать отдельные части городской территории (промышленная зона, парки и сады и т. д.) за зимнее-весений и летне-осенний периоды.
В целом талые снеговые воды более загрязнены, чем дождевые. Различие особенно велико, если зима многоснежная, а весеннее снеготаяние протекает бурно. Среднее многолетнее количество загрязняющих веществ (кг/(год-га)), смываемых с территории городов талыми снеговыми и дождевыми водами, может быть при отсутствии наблюдений оценено в первом приближении по удельным значениям:
Взвешенные вещества........2000—2500
БПК5
….....................................140—200
Нефтепродукты….....................60—100
Азот общий......................................4—6
Фосфор общий...........................1,0—1,5
Минерализация........................400—600
Приведенные данные относятся к центральным районам крупных городов с многоэтажной жилой застройкой и плотностью на селения более 100 чел./га. При меньшей плотности вводится соответствующая поправка; если плотность населения составляет 80 чел./га, то поправочный множитель равен 0,8.
После продолжительного засушливого периода в первые 10— 15 мин от начала дождя концентрация загрязнений в дождевом стоке близка к концентрации загрязнений в хозяйственно-бытовых сточных водах. В последующем концентрация уменьшается. За первую треть дождевого паводка выносится около половины всех смытых водой загрязнений. Приведем некоторые статистические данные о режиме выпадения жидких атмосферных осадков:
— средняя продолжительность дождей в день с осадками более 1 мм/сут составляет: на европейской территории СССР 6—8 ч, в Средней Азии 4—6 ч, на Дальнем Востоке 8—10 ч;
— средняя продолжительность периода без дождей при суточном количестве осадков более 0,1 мм равна 3—5 дней; при суточном количестве осадков более 5 мм — 8—12 дней; в Средней Азии 10—12 и 15—25 дней соответственно.
В санитарно-экологическом отношении самую большую опасность для рек и водоемов представляют смытые с городской территории взвешенные вещества. Их количество в центральных районах крупных городов составляет 2000—2500 кг/(год-га). Концентрация большей частью равна 1500—2000 мг/дм3
, что на порядок больше, чем в водах равнинных рек.
Интенсивный смыв взвешенных веществ с городской территории при весеннем снеготаянии или выпадении дождевых осадков есть своего рода аварийный выброс. В некоторой мере, аналогичное положение и с другими загрязняющими веществами: органическими, нефтепродуктами, солями и т. д. (Нежиховский, 1990)
1.4. Производственные сточные воды.
Потери воды на промышленных предприятиях, как правило, невелики, и количество производственных сточных вод может быть или приравнено к водопотреблению или уменьшено на 5—10 %. Главным является вопрос о составе рассматриваемых вод.
Производственные сточные воды, в отличие от хозяйственно-бытовых вод, очень разнообразные по составу. Это относится в целом к промышленности, а в ряде случаев и к отдельным предприятиям. Именно для предприятий характерны залповые сбросы из-за неполадок на локальных очистных сооружениях, переполнения емкостей, разного рода аварий и пр.
Промышленность, будучи основным загрязнителем природных вод, сама от этого терпит большой урон. Использование загрязненной воды ухудшает качество продукции, снижает КПД оборудования, увеличивает амортизационные расходы и т. д.
Чаще всего наиболее сильными загрязнителями водной среды выступают предприятия целлюлозно-бумажной промышленности, а также нефтеперерабатывающие заводы и химические комбинаты, в особенности комбинаты по производству органического синтеза. Так, один целлюлозно-бумажный комбинат (ЦБК) средней мощности при прямоточной системе водоснабжения загрязняет окружающую среду как город с населением 0,5 млн чел. Стоки ЦБК содержат опилки, древесное волокно, смолу, лигнин и другие вещества, которые придают воде неприятный вкус и запах, способствуя развитию грибковых обрастаний дна и берегов. В целом для промышленности свойственно наличие в сточных водах ряда токсических веществ (прежде всего, тяжелых металлов, фенолов) и нефтепродуктов, малое содержание биогенных веществ, отмечаются редкие случаи загрязнения патогенными микробами. В этой связи подробнее остановимся на трех наиболее распространенных видах производственных загрязнений — нефтяном, фенольном и тяжелыми металлами.
Нефть и нефтепродукты. Загрязнение природных вод нефтью и нефтепродуктами — самый распространенный на сегодняшний день вид антропогенного загрязнения. Источники их поступления весьма разнообразны: аварии судов, повреждения нефтепроводов, подводное бурение, смыв с территорий населенных пунктов и т.д. Подсчитано, что в окружающую среду поступает около 2% добытой нефти.
Нефть может находиться в воде в различном состоянии — в виде поверхностной пленки, донных отложений, раствора и взвеси. В сточных водах преобладает нефть во взвешенном состоянии. Первый признак нефтяного загрязнения — это наличие поверхностной пленки. Быстрому образованию нефтяной пленки на значительной площади способствуют силы поверхностного натяжения. 1 кг разлитой нефти образует пленку на площади 1,2 га. Нефтяная пленка замедляет аэрацию водных масс, снижает интенсивность светового потока. Донные нефтяные отложения склеивают частицы грунта. Все это отрицательно сказывается на качестве воды и на условиях обитания гидробионтов.
Процесс окисления нефти в аэробных условиях растягивается на 3—5 месяцев, а при недостатке кислорода и при низкой температуре—на 1—3 года. Наиболее устойчивы к разложению тяжелые нефтепродукты, образующие взвеси и эмульсии. Осевшая на дно нефть разлагается в основном в анаэробных условиях, т. е. на порядок медленнее, чем растворенная нефть. (Нежиховский, 1990)
1.5. Сельскохозяйственные сточные воды.
В основной своей массе воды сельскохозяйственного производства из-за малой загрязненности не относятся к категории сточных вод. Но иногда сельскохозяйственное производство настолько изменяет качество воды, что она уже приобретает свойства сточных вод. Это касается самих сельских населенных пунктов, животноводческих комплексов, дренажного стока с мелиоративных систем, наконец, случаев интенсивного смыва ядохимикатов и минеральных удобрений с сельскохозяйственных полей.
По очевидным причинам в пределах сельского населенного пункта невозможно выделить хозяйственно-бытовые, производственные и поверхностные воды, так как они образуют единый поток.
Большая часть отходов жизнедеятельности людей и домашних животных используется на месте или вывозится на поля. Поэтому суточные нормы загрязнений (г/сут на 1 чел.),поступающих в водные объекты, для сельского жителя меньше, чем для городского:
БПКполн..........................................15
Взвешенные вещества....................13
Нефтепродукты…........................0,03
СПАВ……………..........................1,1
Сульфаты...........................……….5,2
Хлориды….....................................4,4
Фосфор общий...............................0,7
Азот общий....................................4,8
На сегодняшний день животноводческие комплексы являются источником накопления громадного количества навоза, который в случае неправильной технологии хранения и использования может быть опасен для окружающей среды. Так, количество жидкого навоза, поступающего от свиноводческого комплекса по откорму 108 000 голов в год, составляет 3000 т/сут (свыше 1 млн т/год), от комплекса по откорму 10 000 голов молодняка крупного рогатого скота — 250 т/cyт (свыше 90 000 т/год). Количество отходов от одной коровы эквивалентно отходам от 10 чел., а от одной свиньи — от трех человек.
На комплексах распространено бесподстилочное содержание животных с гидросмывом экскрементов. Навоз подается в специальные емкости, где твердая фракция осаждается. Осевший твердый осадок обезвоживается с помощью дренажа, затем компостируется; через 2—4 месяца после обработки от гельминтов он может быть внесен под пахоту. Жидкая фракция навоза поступает в пруды-накопители, где она выдерживается довольно длительное время (от 20 до 50 сут), затем обеззараживается, разбавляется при необходимости свежей водой и по трубопроводам или цистернами подается на сельскохозяйственные поля. Возможно повторное использование этих вод для гидросмыва. Применяется также компостирование навозного стока с торфяной крошкой, центрифугирование для разделения жидкой и твердой фракции, механическая уборка и т. д.
В принципе все отходы животноводства должны вывозиться на поля. Однако это происходит не всегда. Причины этому разные: недостаточная емкость навозохранилищ и жижесборников; несоблюдение правил заделки твердого и жидкого навоза в почву; выгрузка навоза на снег.
По оценкам различных авторов, потери азота и фосфора, содержащихся в навозе, даже при соблюдении технологической дисциплины составляют от 10—15 до 30—40 %, а при несоблюдении — до 50—55 %.
К основным видам загрязнений от сельскохозяйственного производства относятся пестициды, и минеральные удобрения. (Нежиховский, 1990)
Пестициды. Препараты, используемые для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных растений. В зависимости от объекта воздействия различают гербициды (средство для уничтожения сорной растительности); инсектициды, (препараты для борьбы с вредными насекомыми); зооциды (ядохимикаты для уничтожения грызунов); фунгициды (препараты, применяющиеся против возбудителей грибковых заболеваний); бактериоциды (средство против бактериальных болезней). Есть еще ряд препаратов для удаления листьев, излишних цветков и пр. Благодаря своей высокой эффективности пестициды получили широкое распространение. В водные объекты они поступают с талым и дождевым стоком, а также при распылении с самолетов. Попав в воду, они долгое время сохраняют свою токсичность. Способны постепенно аккумулироваться в организме и передаваться по пищевым цепям. Легко сорбируются взвешенными в воде минеральными и органическими частицами. (Нежиховский, 1990)
ГЛАВА 2: ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССОВ САМООЧИЩЕНИЯ И РАЗБАВЛЕНИЯ СТОЧНЫХ ВОД
В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно-бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.
2.1.Самоочищение вод.
Одним из наиболее ценных свойств природных вод является их способность к самоочищению. Самоочищение вод - это восстановление природных свойств воды в реках, озерах и других водных объектах, происходящее естественным путем в результате протекания в них взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов (турбулентная диффузия, окисление, сорбция, адсорбция и т.д.). Способность рек и озер к самоочищению находится в тесной зависимости с многими другими природными факторами, в частности, физико-географическими условиями, солнечной радиацией, деятельностью микро
Таким образом, самоочищение происходит при совокупном взаимодействии гидрометеорологических, гидродинамических, гидробиологических, а также физико-химических процессов при попадании в водотоки и водоемы загрязняющих веществ (рис.1).
Рис.1
Снижение мутности (а), количества сапрофитных бактерий (б), общей цветности (в) и запахов (г) в воде водохранилищ (по А.В. Францеву, 1961):
1-мутность воды, поступающей в водохранилище; 2-то же в водохранилище; 3-количество бактерий в воде, поступающей в водохранилище; 4-то же вводе водохранилища; 5-цветность воды, поступающей в водохранилище; 6-то же в водохранилище; 7-исходная вода; 8- конечная вода.
Уменьшение концентрации загрязняющих водные объекты неорганических веществ происходит путем нейтрализации кислот и щелочей за счет естественной буферности природных вод, образования труднорастворимых соединений, гидролиза, сорбции и осаждения. Концентрация органических веществ и их токсичность снижаются вследствие химического и биологического окисления. Эти природные способы самоочищения нашли отражение в принятых методах очистки загрязненных вод в промышленности и сельском хозяйстве.
Для поддержания в водоемах и водотоках необходимого природного качества вод большое значение имеет распространение водной растительности, которая выполняет в них роль своеобразного биофильтра. Так, по данным ряда исследователей оптимальная площадь зарастания прибрежной зоны, обеспечивающая очистку поступающих с берегов загрязненных вод, составляет 7-10% от площади водного зеркала водоема. Эти показатели были рекомендованы для создаваемых водохранилищ умеренной зоны Европейской части России и стран ближнего зарубежья.
Хорошим биологическим фильтром служит, например, тростник обыкновенный, который может расти в сильно загрязненных водах на полях фильтрации, в шлаконакопителях и очищать их. Это связано с физиологическими особенностями такого рода растений. Длинные трубчатые побеги и толстые корневища тростника имеют большие воздушные полости, которые способствуют их хорошей жизнедеятельности в водной среде, почти лишенной кислорода. На нижних узлах корневых побегов тростника густой мочковатой сетью располагаются дополнительные воздушно-водные корни, задерживающие загрязняющие вещества. В результате тростниковые заросли на 1 га извлекают из воды и почвы за сезон до 5-6 т различных солей, присутствующих в сточных водах. Чтобы этот биофильтр хорошо работал, необходимо ежегодно выкашивать тростник на нужной высоте, без повреждения водных побегов и корней.
Аналогичны по своему очищающему действию заросли камыша и рогоза. За рубежом широкое распространение в качестве биофильтра приобрели заросли гиацинта. Это растение служит биостимулятором и хорошим средством для очистки загрязненных вод, в том числе от радиоактивных отходов, тяжелых металлов. У него очень большая адсорбирующая способность. Так, за одни сутки с 1 га водной поверхности зарослями гиацинта извлекается 44 кг азота, столько же калия, 34 кг натрия, 22 кг кальция, 4 кг марганца.
Высокую очищающую способность водных растений широко используют на многих промышленных предприятиях во многих странах мира. Для этого создают разнообразные искусственные отстойники, в которых сажают озерную и болотную растительность, хорошо очищающую загрязненные воды.
В последние годы получила распространение искусственная аэрация - один из эффективных способов очищения загрязненных вод, когда процесс самоочищения резко сокращается при дефиците растворенного в воде кислорода. Для этого специальные аэраторы устанавливаются в водоемах и водотоках или на станциях аэрации перед сбросом загрязненных вод. (Авакян, 1994)
2.2.Коэффициенты самоочищения рек Тюменского региона.
Водоотведение является одним из видов водопользования. Гарантией экологически безопасного водоотведения служат объемы предельно допустимых сбросов (ПДС) загрязняющих веществ. Расчеты ПДС выполняются для каждого предприятия водопользователя. Одним из важных параметров расчета выступает коэффициент самоочищения (неконсервативности) речных и озерных вод.
Как правило, при расчетах ПДС используются справочные значения коэффициента неконсервативности, исправленные в зависимости от температуры воды и скорости течения реки. Однако, в «Методике расчета предельно-допустимых сбросов (ПДС) веществ в водные объекты со сточными водами» прямо указывается на то, что лучше эти коэффициенты принимать по данным натурных наблюдений.
Для условий Тюменского региона с его специфическими природными условиями подробные оценки не проводились. Рассмотрены лишь гидрологические аспекты самоочищения рек. Указано на небольшие скорости течения, даже в период половодья, низкие температуры воды и большое количество естественной органики, связывающей кислород, столь необходимый для процесса самоочищения.
В качестве расчетной была принята экспоненциальная модель распада органического вещества:
(1)
где -
концентрация загрязняющего вещества в контрольном створе; мг/л,-
тоже вначальном створе, мг/л; t
– время добегания, сут; к
- коэффициент самоочищения, 1/сут.
Отсюда коэффициент неконсервативности К
может быть определен обратным ходом из формулы (1)
(2)
Количественные характеристики составляющих формулы (2) получены на основании стандартных наблюдений постов Росгидромета. При этом, выбирались реки, имеющие два пункта наблюдений, расположенных как можно ближе друг к другу. Второе условие - это отсутствие на участие между выбранными створами крупных протоков и источников загрязнений. Кроме того, верхний створ обычно находился вблизи мощного источника загрязнения. Например, на Оби верхний створ с. Белогорье расположен несколько ниже впадения Иртыша, который выносит в Обь большое количество поллютантов. На р. Ишим - это город Ишим и т.д. Оказалось, что указанным условиям отвечает ограниченное число крупных рек региона (табл. 1).
Таблица 1
Перечень принятых к расчету рек.
| Река | Створы | Время добегания, сут. | |
| Верхний | Нижний | ||
| Таз | Красноселькуп | Тазовский | 14 |
| Обь | Белогорье | Октябрьский | 7 |
| Вах | Ларьяк | Большетархово | 9 |
| Конда | Болчары | Выкатное | 30 |
| Ишим | Ишим | Абатский | 4 |
| Тобол | Иевлево | Тобольск | 5 |
Для всех указанных в табл. 1 створов были построены графики годового хода уровней за характерные годы и по методу соответственных уровней определены значения времени добегания. Затем, за последние 5 лет вычислены средние годовые концентрации 13 показателей в верхних и нижних створах рек. На основании этих данных по формуле (2) определены коэффициенты неконсервативности, представленные в табл. 2.
Данные табл. 2 показывают значительный разброс величин коэффициентов самоочищения. Однако, обнаруживается явная тенденция их увеличения по мере движения с севера на юг.
Тундровая зона представлена рекой Таз. Это третья по водности река Тюменской области (после Оби и Иртыша). Длина ее составляет 1401 км, площадь водосбора 150 тыс. км2
. Самоочищающая способность определялась между створами п. Красноселькуп и п. Тазовский. На данном участке река имеет низкие скорости течения 0,2-0,5 м/с, длительный период ледостава 7-8 месяцев и низкуютемпературу воды: в июле 15,4°, а в среднем за год около 4о
С. Все это обуславливает малые значения коэффициентов самоочищения. Они в 5-10, а иногда и более раз меньше, чем, допустим, для р. Тобол.
Лесная зона занимает большую часть территории Тюменской области. Здесь для исследования были взяты три реки: Обь (участок с. Белогорье - п. Октябрьский), Вах (с. Ларьяк - с. Большетархово), Конда (п. Болчары - с. Выкатное). (Башлаков, 1991)
Вах является одним из наиболее полноводных правых притоков Оби в пределах Тюменской области. Длина реки 964 км, площадь бассейна - 76,7 тыс. км2
. На водосборе много озер и болот (озерность 4,3%, заболоченность 38%). Продолжительность ледостава на реке достигается 6-7 месяцев. Температура воды в июле составляет 15°-20°С.
Таблица 2
Коэффициенты самоочищения рек Тюменского региона
| Показатели | Реки | Справочные данные | |||||
| Таз | Обь | Вах | Конда | Ишим | Тобол | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
| Взв. вещ. | 0,008 | 0,16 | 0,02 | 0,25 | 0,009 | 0,44 | |
| ХПК | 0,017 | 0,06 | 0,024 | 0,058 | 0,079 | -
|
|
| БПК5
|
-
|
0,076 | 0,02 | -
|
0,45 | 0,27 | 0,23 |
| Нефтепр. | 0,05 | 0,12 | -
|
0,05 | 0,19 | 0,18 | 0,044 |
| Фенолы | 0,036 | 0,05 | 0,012 | 0,057 | 0,136 | 0,20 | 0,32 |
| СПАВ | 0,028 | 0,27 | -
|
0,097 | 0,13 | 0,19 | 0,046 |
| NH4
+ |
0,022 | 0,02 | 0,005 | 0,057 | 0,266 | 0,26 | 0,069-0,207 |
| N02
|
0,05 | -
|
0,039 | -
|
0,266 | 0,24 | 0,112-0,173 |
| no3- | 0,11 | - | 0,057 | 0,08 | -
|
0,19-10,8 | |
| Железо | 0,02 | 0,17 | 0,045 | 0,149 | 0,18 | 0,13 | |
| Медь | 0,032 | 0,175 | 0,04 | 0,36 | 0,175 | 0,206 | |
| Никель | -
|
0,14 | -
|
0,08 | -
|
||
| ДДТ | 0,028 | -
|
-
|
0,29 | -
|
||
Вынос с болот большого количества органики связывает кислород и тем самым снижает самоочищающую способность реки. В бассейне Ваха функционируют крупные нефтедобывающие комплексы, базирующиеся на известных месторождениях: Самотлорском, Сороминском, Хохряковском, Ершовском, Пылинском, Вахском, Коликъеганском и др. В связи с этим не удалось рассчитать коэффициент самоочищения по нефтепродуктам, так как их концентрация вниз по течению реки все время возрастает.
Конда - левый приток Иртыша. Имеет малые уклоны, очень извилиста, бассейн заозерен (озерность 6%) и заболочен (заболоченность 53%). Длина реки 1097 км, площадь водосбора 72,8 км. Сильная зарегулированность болотами и озерами (особенно русловыми) способствует формированию своеобразного уровенного режима. Половодье часто растягивается до зимнего ледостава, который продолжается 6 месяцев. Температура воды в июле 16°С. Антропогенная нагрузка на речные экосистемы здесь ниже, чем на Вахе. Месторождения нефти и газа разрабатываются в верхнем течении. Самоочищая способность Конды несколько лучше, чем Ваха.
Расчет самоочищающей способности Оби выполнен между створами с. Белогорье - п. Октябрьский. Здесь река течет одним руслом, имеет значительные скорости течения и при своей большой водности обеспечивает хорошее самоочищение по сравнению с Кондой и Вахом.
Для анализа самоочищающей способности рек лесостепной зоны приняты к анализу реки Ишим и Тобол. Продолжительность ледостава на этих реках не превышает 5 месяцев. Температура воды в июле достигает 20°С. Более значительные уклоны территории способствуют увеличению скоростей течения рек. Указанные обстоятельства являются причиной более высоких значений коэффициентов самоочищения.
Приведенные в таблице 2 коэффициенты самоочищения рек могут найти применение при расчетах ПДС и прогнозах качества воды рассмотренных рек. Кроме того, данные реки способны выступать в качестве аналогов для других рек в зонах тундры, тайги и лесостепи. (Топников, 1992)
2.3.Разбавления сточных вод.
Сброс хозяйственно-бытовых, производственных и иных сточных вод сопровождается загрязнением рек и водоемов.
По мере удаления от места выпуска струя сточной воды постепенно расширяется и концентрация загрязнений в ней уменьшается вплоть до полного перемешивания. В реке это происходит в силу турбулентной диффузии, наличия внутренних течений и водоворотных зон. В озерах и водохранилищах, кроме того, влияет ветровое волнение и разного рода течения (стоковые, дрейфовые, градиентные), которые носят сложный и неустойчивый характер, особенно в прибрежной мелководной зоне.
Для обеспечения как можно более благоприятных условий разбавления сточных вод в реках иногда прибегают к строительству рассеивающих выпусков. Такой выпуск представляет собой трубу с расположенными на ней выходными патрубками. С учетом особенностей ледового режима и руслового процесса, а также требований судоходства труба может располагаться над водной поверхностью, на некоторой глубине от поверхности, на дне реки.
Створ полного перемешивания. Это створ на реке ниже места выпуска сточных вод, где максимальная концентрация рассматриваемого загрязняющего вещества в поперечном сечении ненамного превышает среднюю концентрацию (примерно на 5—10%). Очевидно, что местоположение указанного створа непостоянное и зависит от расхода воды в реке и других причин. При рассеивающем выпуске сточных вод посредине реки расстояние до створа полного перемешивания уменьшается примерно в 1,5 раза по сравнению с сосредоточенным выпуском у берега. Важно и то, что струя с наибольшей концентрацией загрязняющего вещества находится при этом на стрежне, а не у берега.
Применительно к выпуску сточных вод можно выделить в пределах водоема три зоны:
1) зона начального разбавления. Здесь скорость течения струи выпуска намного больше скорости течения остальной воды. Размеры ее исчисляются десятками, иногда сотнями метров. Разбавление происходит тем интенсивнее, чем значительнее глубина и ветровое волнение;
2) прибрежная зона водоема с частой сменой направления течения и, как следствие, пятнистого распределения загрязнений. Причины этого: воздействие ветра и взаимодействие водных масс прибрежных и центральных районов;
3) центральная зона водоема с более или менее устойчивой формой циркуляции водных масс; характер циркуляции предопределяется морфометрией, стоком впадающих и вытекающих рек, ветром, градиентами температуры воды по акватории и глубине.
Чаще всего наиболее неблагоприятные гидрометеорологические условия врайоне выпуска сточных вод создаются тогда, когда наступает длительный период с безветренной погодой или со слабыми ветрами переменных направлений. При этом происходит стабилизация поля загрязнений.
«Тяжелые» сточные воды распространяются преимущественно в придонных слоях речного потока, а в водохранилищах по бывшим руслам рек. Известно немало примеров, когда воды притока долгое время не смешиваются с водой основной реки.
Расчеты разбавления сточных вод в озерах и водохранилищах из-за сложного и неустойчивого характера течений, наличия ветрового волнения, а также значительной роли биотических факторов — задача более трудная, чем в реках. (Нежиховский, 1990).
ГЛАВА 3: ОЦЕНКА РАССТОЯНИЯ ДО СТВОРА ПРАКТИЧЕСКИ ПОЛНОГО СМЕШИВАНИЯ
Створы практически полного перемешивания сточных вод с водой рек при русловом выпуске будут расположены ближе к месту выпуска по сравнению с береговыми. Поэтому створ практически полного перемешивания, установленный по береговому выпуску будет представительным (репрезентативным) и для выпусков в центре потока или на определенном расстоянии от берега и поверхности воды.
Расстояние от места выпуска сточных вод до створа практически полного перемешивания зависит от наполнения русла (расхода воды) и его морфометрических характеристик на участке перемешивания.
В качестве примера представлена номограмма для оценки створа практически полного перемешивания по р. Тагил ниже п. Верхний Тагил в Свердловской области в зависимости от расхода воды в реке и расхода сточных вод (рис.2)
Рис. 2.
Зависимость расстояния от места выпуска сточных вод до створа практически полного перемешивания их с речными от расходов воды в реке (
Q
,
м3
/с) и сточных вод (q
,
м3
/с). Река Тагил ниже п. Верхний Тагил а) период открытого русла; б) период ледостава: начало, _ _ _ _ конец. (По И.С. Шахову, 2000)
Из приведенного рисунка видно, что, например, при расходе воды в р. Тагил, равном 20 м3
/с, а расходе сточных вод 0,1 м3
/с, расстояние до створа практически полного перемешивания от места выпуска сточных вод (Z) составляет около 1,8 км. Если расход сточных вод составляет 10 м3
/с, то Z возрастает до 14 км. Это убедительно подтверждает необходимость осуществления контроля качества воды на различных расстояниях от мест выпуска сточных вод при различных наполнениях русла и расходах сточных вод. Репрезентативный створ можно установить по наибольшему расстоянию. В этом случае независимо от наполнения русла и расхода сточных вод концентрации примесей будут близки к средним по сечению. (Шахов, 2000)
При сбросе сточных вод и расчета НДС предполагается установление расстояния до контрольного створа. При этом оно не должно быть менее 500м. Однако может оказаться так, что сточные воды в потоке не будут перемешиваться с водами реки и будут идти отдельной струей с высокой концентрацией загрязняющего вещества. Возникает необходимость определения расстояния, на котором достигается практически полное перемешивание, реально на 80-90% сточных вод с водами водоприемника.
Здесь можно использовать методику УралНИИВха. При выпуске в центре потока применяется формула:
l
цент
=
.
При береговом выпуске:
l
берег =
,
гдеl
- расстояние полного перемешивания, м; H
,
B
-
средняя глубина и ширина потока в контрольном створе, м;
Величина Р
определяется по формуле:
P
=
,
Где В1
,Н1
– средние ширина и глубина на участке смешения; С
– коэффициент Шези, определяемый для периода открытого и закрытого русла.
Можно использовать формулу ВНИИВОДГЕО без учета места водовыпуска:
l
=
,
где - коэффициент, учитывающий гидравлические условия в реке;y
- коэффициент смешивания, принимается равным y
= 0,8. (Калинин, 2008).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1.Водоотведение – это сброс в какой-либо приемник (реку, пруд водохранилище т др.) использованных вод, которые по-другому называются сточными водами. Сточные воды подразделяются на несколько типов: хозяйственно-бытовые, талые снеговые и дождевые, производственные и сельскохозяйственные. С хозяйственно-бытовыми сточными водами в водоприемник поступают отходы жизнедеятельности людей и домашних животных. Данные сточные воды служат обычно основным источником поступления в реки и водоемы соединений азота.С хозяйственно-бытовыми сточными водами поступает и основная масса синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ).
Талые снеговые и дождевые воды смывают с территории городов и выносят в гидрографическую сеть разнообразные загрязняющие вещества и предметы: мусор, опавшую листву, продукты разрушения дорожных покрытий, выпавшие из атмосферы аэрозоли, нефтепродукты от транспорта, частицы грунта и пр. Интенсивный смыв взвешенных веществ с городской территории при весеннем снеготаянии или выпадении дождевых осадков есть своего рода аварийный выброс. В некоторой мере, аналогичное положение и с другими загрязняющими веществами: органическими, нефтепродуктами, солями и т. д.
Производственные сточные воды, в отличие от хозяйственно-бытовых вод, очень разнообразные по составу. Это относится в целом к промышленности, а в ряде случаев и к отдельным предприятиям. Именно для предприятий характерны залповые сбросы из-за неполадок на локальных очистных сооружениях, переполнения емкостей, разного рода аварий и пр., поэтому промышленность – основной загрязнитель природных вод.
По очевидным причинам в пределах сельского населенного пункта невозможно выделить хозяйственно-бытовые, производственные и поверхностные воды, так как они образуют единый поток. К основным видам загрязнений от сельскохозяйственного производства относятся пестициды, и минеральные удобрения.
2. Одним из наиболее ценных свойств природных вод является их способность к самоочищению. Самоочищение вод - это восстановление природных свойств воды в реках, озерах и других водных объектах, происходящее естественным путем в результате протекания в них взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов (турбулентная диффузия, окисление, сорбция, адсорбция и т.д.). Хорошим биологическим фильтром служит, например, тростник обыкновенный, который может расти в сильно загрязненных водах на полях фильтрации, в шлаконакопителях и очищать их. В последние годы получила распространение искусственная аэрация - один из эффективных способов очищения загрязненных вод, когда процесс самоочищения резко сокращается при дефиците растворенного в воде кислорода, но загрязненных водах на полях фильтрации, в шлаконакопителях и очищать их.
3. По мере удаления от места выпуска струя сточной воды постепенно расширяется и концентрация загрязнений в ней уменьшается вплоть до полного перемешивания. В реке это происходит в силу турбулентной диффузии, наличия внутренних течений и водоворотных зон. Для обеспечения как можно более благоприятных условий разбавления сточных вод в реках иногда прибегают к строительству рассеивающих выпусков. Расчеты разбавления сточных вод в озерах и водохранилищах из-за сложного и неустойчивого характера течений, наличия ветрового волнения, а также значительной роли биотических факторов — задача более трудная, чем в реках.
4. Расстояние от места выпуска сточных вод до створа практически полного перемешивания зависит от наполнения русла (расхода воды) и его морфометрических характеристик на участке перемешивания. Может оказаться так, что сточные воды в потоке не будут перемешиваться с водами реки и будут идти отдельной струей с высокой концентрацией загрязняющего вещества. Возникает необходимость определения расстояния, на котором достигается практически полное перемешивание, реально на 80-90% сточных вод с водами водоприемника. Здесь можно использовать методику УралНИИВха и ВНИИВОДГЕО.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1.Авакян А.Б., Широков В.М. Рациональное использование и охрана водных ресурсов. Екатеринбург: Издательство «Вектор», 1994. 319 с.
2. Башлаков Я.К., Черкасов А.Е., Петухова Н.А. Гидрологические аспекты улучшения экологического состояния водных ресурсов Среднего Приобья и Тюменского Севера // Тр. 5 Всесоюзного гидрологического съезда, Т. 5. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. С. 300-305.
3.Добежина Н.Л., Калинин В.М. Количественное состояние вод малых и средних рек Ханты-Мансийского автономного округа // Проблемы географии и экологии Западной Сибири. в.5. Тюмень: Издательство «Вектор-Бук», 2003.
4.Калинин В.М. Экологическая гидрология. Учебно-методический комплекс. Тюмень: Издательство ТюмГУ, 2007. 30 с.
5. Методика расчета предельно допустимых сбросов (ПДС) веществ в водные объекты со сточными водами. Харьков: ВНИИВО, 1990. 113 с.
6.Нежиховский Р.А. Гидролого-экологические основы водного хозяйства. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 202 с.
7. Топников В.Е., Вавилин В.А. Сравнительная оценка математических моделей самоочищения рек // Водные ресурсы. 1992. №1. С. 59-76.
8.Шахов И. С. Водные ресурсы и их рациональное использование. Екатеринбург: Издательство «Аква-Пресс», 2000. 288 с.