Мацнєв А.І., Проценко С.Б., Саблій Л.А. Моніторинг та інженерні методи охорони двкілля

Подождите немного. Документ загружается.

171

кисню за 5 діб. Для деяких органічних речовин біохімічне окислення може

тривати значно довше за 20 діб.

Для побутових стічних вод розрахункові ХПК та БПК

ПОВН

становлять від-

повідно 87 і 75 г/доб на 1 людину для неосвітлених стоків та 46 і 40 г/доб для

освітлених. Для перерахунку показників забруднення побутових вод у мг/л

враховується відповідна норма водовідведення.

На відміну від побутових стічних вод склад виробничих стоків є більш

різноманітним за видами та концентраціями забруднюючих речовин і зале-

жить від типу промислового підприємства, характеру технологічних процесів

та інших факторів.

Перед скиданням у водні об’єкти стоки обов’язково повинні очищатися

на очисних спорудах від забруднюючих речовин та знезаражуватися.

Найчастіше вихід там, де був вхід.

Станіслав Єжи Лец

4.6. Охорона водних ресурсів від виснаження та забруднення

Через надзвичайно важливе значення води як одного з основних елемен-

тів біосфери, її вирішальну роль для біоценозів та вплив на здоров’я людини

охороні, контролю та управлінню якістю природних (в першу чергу, прісних)

вод приділяється особлива увага.

Охорона природних вод полягає в їх раціональному використанні, збере-

женні продуктивності водних екосистем та попередженні забруднення у від-

повідності з основами водного законодавства [9].

Водне законодавство України передбачає ведення державного обліку вод,

який полягає у визначенні кількості та якості водних ресурсів, що складають

єдиний державний фонд, і зборі даних про використання вод для потреб гос-

подарства. Такий контроль передбачає дотримання всіма галузями господар-

ства, окремими підприємствами і установами, а також громадянами встанов-

леного порядку використання і обліку вод, ліквідацію наслідків шкідливого

впливу.

Всі дані про кількість і якість водних ресурсів вміщені у Державному

водному кадастрі

України, основне завдання якого - забезпечити господар-

ство необхідними даними про водні об’єкти, ресурси, якість, режим викорис-

тання вод та водокористувачів.

Основні заходи щодо захисту природних вод від забруднення зводяться

до наступного:

• нормування якості води, тобто розробки критеріїв її придатності для

різних видів водокористування;

Кадастр - упорядкована сукупність відомостей про правове, природне, господарське та еконо-

мічне положення фізичних об’єктів і явищ навколишнього середовища у часі в структурному,

організаційному, функціональному та інформаційному аспектах.

172

• зменшення обсягів скидів забруднень у водні об’єкти шляхом удоско-

налення технологічних процесів та покращення методів очищення

стічних вод;

• вивчення та врахування процесів самоочищення при скиданні стічних

вод у водні об’єкти.

Нормування якості води в нашій країні здійснюється за відповідними

правилами і нормативними актами - Законом України “Про охорону навко-

лишнього природного середовища”, Водним кодексом України, Правилами

охорони поверхневих вод від забруднення зворотними водами та ін. [9, 20, 26,

28, 86, 87, 102]. В них викладено вимоги до складу і властивостей води для

різних потреб господарства, підкреслюються принципи обов’язковості захис-

ту водних ресурсів всіма водокористувачами і водоспоживачами. Окремо на-

голошується на забороні скидання у водойми стічних вод, що містять цінні

відходи і сировину, які можуть бути вилучені за допомогою раціональної тех-

нології. Наводяться гранично допустимі концентрації різних забруднювачів у

воді. Передбачається адміністративна й карна відповідальність за порушення

правил користування водоймами, забруднення їх понад установлені норми то-

що.

Скорочення обсягів скидів забруднень у водойми і перехід підприємств

на роботу за схемою замкненого циклу водокористування є головним напря-

мом захисту водного середовища в

промисловості

. За такою схемою водоко-

ристування промислове підприємство після очищення власних стічних вод

повторно використовує їх у технологічному циклі, отже забруднені стічні во-

ди взагалі не потрапляють у природні водойми. Тому постає важливе завдан-

ня щодо розробки і впровадження безстічних комплексів, замкнених циклів,

оборотних систем водопостачання і технологічних процесів, що не впливають

негативно на навколишнє природне середовище. Розробка нових прогресив-

них технологій дозволяє різко скоротити потреби у воді, а інколи й зовсім від-

мовитись від неї. Наприклад, на деяких ТЕС за кордоном замість водного

охолодження агрегатів використовують повітряне, що звело теплове забруд-

нення водойм до мінімуму.

У сільському господарстві, що є основним водоспоживачем, головним

напрямком охорони водних ресурсів має стати запровадження суворої еконо-

мії води і раціонального її використання. Так, заміна поверхневого поливу на

зрошуваних землях більш раціональними методами - дощуванням, крапель-

ним поливом та ін. - дозволяє одержувати ті ж самі врожаї за витрат води у

п’ять-сім разів менших. У традиційних відкритих зрошувальних системах

значна кількість води втрачається на інфільтрацію, випаровування і стік. За

літературними даними, на бавовняних плантаціях Туркменистану лише 54 %

води доходить до рослин, решта ж просочується в землю через необлицьовані

стінки каналів і призводить до заболочення ділянок магістральних каналів.

173

Економія на облицюванні спричинює значно більші економічні втрати - втра-

ти прісної води та виведення із сівообороту великих площ землі.

Вводячи в дію нові й реконструюючи старі зрошувані масиви, слід пере-

ходити до закритих способів підведення води і застосування широкозахватної

дощувальної техніки. Це дає можливість набагато економніше витрачати во-

ду, підвищувати ефективність сільськогосподарської техніки, застосовувати

автоматичне регулювання водоподачі у кожну секцію поливних трубопрово-

дів. У районах з особливо гострим дефіцитом води більш перспективним є

крапельне зрошування, що дозволяє у 2-3 рази зменшити витрати води порів-

няно з дощуванням і поверхневим поливом.

На ряді зрошувальних систем одержано позитивний досвід повторного

використання дренажних вод, які характеризуються підвищеною мінераліза-

цією і збагачені добривами, а тому дозволяють одержувати вищі врожаї, ніж

при поливі прісною водою [10].

Зменшенню кількості у водоймах пестицидів, фосфатів, нітратів сприяє

часткова заміна хімізації сільського господарства біологічними методами бо-

ротьби із шкідниками та хворобами рослин, чітке дотримання сівооборотів,

введення нових, більш продуктивних та стійких до хвороб і шкідників сортів

культур, створення пестицидів з таким хімічним складом, який зумовлює їх

розкладання під дією мікроорганізмів у ґрунтах.

Необхідно знаходити приховані резерви і в

комунальному господарстві

Так, за літературними даними [10], нераціональні втрати та витрати води з во-

допровідної мережі становлять в середньому 25-30 % подачі її споживачам.

Ці втрати, погіршуючи безпосереднє забезпечення водою, одночасно призво-

дять до таких неприємних наслідків, як підтоплення міст, руйнування підзем-

них споруд і комунікацій, фундаментів будинків і шляхових покриттів. Тому

боротьба із втратами води в містах не тільки допомагає вивільняти додаткові

водні ресурси, а разом із тим є важливим заходом поліпшення стану всього

міського господарства.

Усі природні водойми мають здатність до самоочищення, під яким розу-

міють розбавлення стічних вод, випадення в осади твердих забруднювачів, хі-

мічні, біохімічні й інші природні процеси, що призводять до видалення з води

забруднюючих речовин і повернення її до первісного стану. Однак, здатність

водойм до самоочищення має свої межі. Значні обсяги скидів стічних вод, на-

явність в них токсичних для водних біоценозів речовин та інші причини пере-

шкоджають процесам самоочищення. Нині річки, озера й інші водні об’єкти

самотужки вже не можуть подолати дедалі зростаюче антропогенне наванта-

ження. Тому людство, якщо воно хоче мати майбутнє, повинно вдатися до

спеціальних досить трудомістких і дорогих заходів для очищення забрудне-

них вод і повернення водних джерел до стану, придатного для подальшого їх

використання.

174

Так, в Україні нині діє понад 2.8 тисяч очисних споруд із самостійним ви-

пуском стічних вод у водні об’єкти загальною потужністю 22 млн.м

на добу,

з них споруд біологічного очищення - близько 60 %, механічного - 35 % і фі-

зико-хімічного - 5 %. На них проходять очищення більше 6 км

стічних вод на

рік. Більше 300 міст мають споруди повного біологічного очищення стічних

вод [61].

Управління водними ресурсами здійснюється за допомогою системи

профілактичних заходів, спрямованих на те, щоб не допустити перевищення

встановлених нормативів скидів шляхом регулювання їх обсягів, обмеження

появи нових джерел забруднення, а також спеціальних заходів по усуненню

шкідливого впливу господарської діяльності на стан водних об’єктів.

Щодо поверхневих водних об’єктів, то до профілактичних заходів від-

носяться такі:

• розробка схем комплексного використання і охорони вод;

• вибір ділянок під будівництво об’єктів згідно з цими схемами;

• екологічна експертиза проектів будівництва і реконструкції об’єктів,

що впливають на стан вод;

• нормування водоспоживання і водовідведення;

• видача дозволів на спеціальне водокористування;

• забезпечення введення в експлуатацію водоохоронних споруд одно-

часно з введенням основних виробничих об’єктів;

• ефективна експлуатація очисних та інших споруд, що запобігають

надходженню у водні об’єкти забруднених стічних вод, поверхневого

стоку з територій промпідприємств, населених пунктів та сільгосп-

угідь;

• контроль за скидом стічних вод і станом водних об’єктів.

До спеціальних заходів належать:

• встановлення нормативів ГДС забруднюючих речовин у водні об’єкти

із стічними водами діючих підприємств і введення в експлуатацію

очисних споруд для досягнення встановлених нормативів ГДС;

• застосування різного роду санкцій, згідно з чинним законодавством,

за забруднення вод аж до закриття окремих підприємств, цехів і ви-

робництв.

З 1978 р. в Україні водокористувачі мають право користуватися водою

тільки при наявності дозволу на спеціальне водокористування, в якому вказу-

ються умови забору води. З 1982 р. введено плату за використання води в

промисловості. Важливу роль у формуванні та реалізації економіко-правово-

го механізму раціонального природокористування і охорони навколишнього

природного середовища відіграло введення в 1992 р. єдиної системи плати за

забруднення навколишнього природного середовища та створення позабюд-

жетних (на той час) природоохоронних фондів. Реалізовано важливий приро-

доохоронний принцип - “

забруднив

плати

”.

175

Проточна вода брудною не стане.

Турецьке прислів’я

4.6.1. Самоочищення води у водних об’єктах

Здатність водних об’єктів до самоочищення залежить від багатьох при-

родних факторів: обсягів річкового стоку, швидкості потоків, хімічного

складу води, її температури тощо.

Зменшення концентрації всіх забруднюючих речовин, що надходять у

водні об’єкти, відбувається, перш за все, внаслідок розбавлення зворотних

вод поверхневими. При визначенні ступеня змішування не можна враховува-

ти всі витрати води в річці, оскільки поблизу місця випуску зворотних вод до-

статньо повного змішування ще немає - воно відбувається на деякій відстані

від місця випуску.

Для врахування витрат води в річці, що приймають участь в процесах

розбавлення, вводять коефіцієнт змішування a. При скиданні зворотних вод у

водотоки величину цього коефіцієнта визначають за методом В.О.Фролова та

I.Д.Родзиллера [37] за формулою

−

, (4.3)

де l - відстань від випуску стічних вод до розрахункового створу за течією

(фарватером) річки, м; Q - найменші середньомісячні витрати води (95 %-ої

забезпеченості

) в створі річки біля випуску, м

/с; q - витрати зворотних вод,

/с.

Коефіцієнт α, що враховує гідравлічні фактори в річці, визначається за

формулою

αϕξ=

, (4.4)

де ϕ - коефіцієнт звивистості річки, що дорівнює відношенню відстані від

місця випуску зворотних вод до розрахункового створу по фарватеру l

до

відстані між цими ж пунктами по прямій l

ПР

ϕ=

ПР

; (4.5)

ξ - коефіцієнт, що залежить від місця розташування випуску стічних вод у

річці (для берегового випуску ξ=1, для випуску у фарватер ріки ξ=1.5); Е - ко-

ефіцієнт турбулентної дифузії, який для рівнинних річок визначається за фор-

мулою

Мінімальні середньомісячні витрати води 95 %-ої забезпеченості - мінімальні середньомісяч-

ні витрати води, нижче яких за сторічний період можна очікувати витрати не частіше, ніж в 5

років.

176

CEP CEP

200

, (4.6)

тут v

CEP

- середня швидкість течії річки на ділянці між випуском стічних вод і

розрахунковим створом, м/с; Н

СЕР

- середня глибина річки на цій ділянці, м.

Для визначення кратності розбавлення у розрахунковому створі застосо-

вують формулу

aQ q

. (4.7)

Розрахунок за цією формулою дає формальну оцінку розбавлення тільки

по витратах і не враховує ступеня очищення стічних вод та динаміки водного

об’єкта. Найбільш повна оцінка фізичних процесів, що відбуваються у водно-

му об’єкті, може бути отримана тільки шляхом гідравлічного моделювання.

Для розрахунку розбавлення стічних вод в інших водних об’єктах (морях,

озерах, водосховищах) застосовують методи, описані в літературі [36, 37, 54].

Для нормального протікання процесів самоочищення потрібно забезпечи-

ти певні умови, основною з яких є наявність у водному об’єкті після випуску

в нього зворотних вод певного запасу розчиненого кисню.

У водному об’єкті одночасно відбуваються, з одного боку, споживання

кисню на мінералізацію органічних речовин, а з іншого - поповнення за раху-

нок розчинення кисню, який надходить з поверхні водного дзеркала, тобто

так звана реаерація.

Дослідженнями встановлено, що швидкість біохімічного окислення орга-

нічних речовин (швидкість споживання кисню) у воді в першій (вуглеводне-

вій) фазі при наявності достатньої кількості розчиненого кисню підкоряється

такому закону: швидкість окислення або споживання кисню при незмінній

температурі у кожний проміжок часу пропорційна масі органічної речовини,

що міститься у воді. Отже, в процесі окислення органічної речовини швид-

кість цього процесу весь час зменшується (за умови, що нові надходження за-

бруднень відсутні).

Цей закон дозволяє вивести рівняння споживання кисню. Якщо через L

позначити кількість кисню, необхідну для окислення всієї органічної речови-

ни, що міститься у воді на початку процесу (біохімічну потребу кисню

БПК

повн

), а через

- кількість кисню, спожитого за час

, то кількість кисню

, необхідна для окислення залишку органічної речовини, дорівнюватиме

LLx

tat

=−. (4.8)

Цей закон можна виразити диференційним рівнянням

kL x

=− −

, (4.9)

де

- коефіцієнт пропорційності, або константа швидкості споживання кис-

ню.

Iнтегруючи рівняння (4.9), отримаємо

177

−−=+ln

Lx ktC

. (4.10)

Оскільки при t = 0 значення x

також дорівнює 0, отримуємо C = - lnL

Тому

ln lnLx Lkt

at a

−= −

. (4.11)

Звільняючись від логарифмів, в результаті отримуємо рівняння процесу

споживання кисню при біохімічному окисленні органічних речовин:

LLe

−

, (4.12)

xL e

=−

−

. (4.13)

Значення k

- константи швидкості біохімічного споживання кисню - зале-

жить від температури

, збільшуючись з її підвищенням. Емпіричним шляхом

знайдено, що для діапазону температур від 10 до 30°С ця залежність має ви-

гляд

1 20

1047

()

−

. (4.14)

Час, необхідний для зменшення потреби кисню від

до

, згідно форму-

ли (4.11), становить

ln . (4.15)

З цієї формули виходить, що досягнути повного окислення всієї органіч-

ної речовини, при якому

дорівнюватиме нулю, теоретично неможливо,

оскільки необхідний для цього час має дорівнювати нескінченості.

Подібному ж закону підкоряється й процес розчинення кисню у воді.

Кисень, як і будь-який інший газ, може розчинюватися у воді лише до певної

концентрації насичення - рівноважної концентрації, яка залежить від темпера-

тури і парціального тиску газу, що відповідає його вмісту у повітрі. Таким чи-

ном,

швидкість розчинення кисню у воді в кожний проміжок часу зворотно

пропорційна ступеню насиченості води киснем або прямо пропорційна його

дефіциту (недонасиченості).

Якщо позначити через

початковий дефіцит кисню, виражений часткою

від повного дефіциту, а через

дефіцит кисню у воді через проміжок часу

то процес його розчинення можна виразити рівнянням

DDe

−

, (4.16)

де

- константа швидкості розчинення кисню, яка залежить від температури

середовища і стану поверхні води (в середньому при температурі води 20°С

вона може бути прийнята рівною 0.2).

При одночасній дії обох процесів у взаємно протилежному напрямі (один

зменшує кількість розчиненого кисню, а другий збільшує її до стану насичен-

ня) кінцева швидкість зміни дефіциту кисню може бути виражена рівнянням

його балансу

kL kD

=−

1 2

, (4.17)

178

після інтегрування якого отримуємо рівняння дефіциту кисню (Стриттера-

Фелпса) через проміжок часу

ee De

kt kt

−

−+

−− −

2 1

1 22

. (4.18)

На рис.4.3 показана схема зміни кис-

невого балансу при одночасному проті-

канні процесів споживання та розчинення

кисню. Як видно з рисунку, загальний

вміст розчиненого кисню спочатку падає

до певного мінімуму, а потім (приблизно з

четвертої доби) починає зростати. Місце

найменшого вмісту кисню на кривій в має

назву кисневого прогину (критична точ-

ка).

Час t

КР

, який відповідає мінімальному

вмісту кисню у воді, може бути визначе-

ний з рівняння (4.18) шляхом прирівню-

вання до 0 першої похідної цього рівняння

по t, звідки

Dk k

−

2 1

. (4.19)

Щоб вичистити щось одне, доводиться забруднити щось інше, проте

можна забруднити все, що завгодно, і нічого при цьому не вичистити.

Лоуренс Дж.Пітер, “Принцип Пітера”

4.6.2. Очищення стічних вод

Під очищенням стічних вод розуміють руйнування або видалення з них

забруднюючих речовин та знищення хвороботворних мікробів.

Очищення стічних вод здійснюють

механічними

хімічними

фізико-хіміч-

ними

та

біологічними

методами. Для знешкодження бактеріального забруд-

нення стічних вод застосовують їх

знезараження

(дезінфекцію).

Механічне очищення полягає у механічному видаленні із стічних вод

нерозчинених речовин (покидьок, піску, намулу, глини), а також жирів, наф-

топродуктів, смол тощо. Для механічного очищення застосовують:

• решітки, на яких затримують грубі домішки стічних вод розміром

більше 5 мм (

покидьки

);

• сита - для затримання домішок стічних вод крупністю до 5 мм;

Час, діб

Розчинений кисень

100%

Критична

точка

Максимальний

дефіцит

Рис.4.3. Схема зміни кисневого

балансу при одночасному проті-

канні процесів споживання та

розчинення кисню

а - споживання кисню без реаерації за

рівнянням (4.12); б - процес реаерації за

рівнянням (4.16); в - те ж за рівнянням

(4.18); А - критична точка максимально-

го дефіциту кисню

179

• пісковловлювачі, які служать для затримання важких мінеральних за-

бруднень стічних вод, переважно піску;

• жиро-, масло-, нафто- та смоловловлювачі - для видалення з вироб-

ничих стічних вод відповідних забруднень, легших за воду;

• відстійники, в яких відбувається осадження завислих речовин з пито-

мою вагою, більшою ніж у води, а також спливання легких речовин на

водну поверхню;

• спеціальні фільтри і центрифуги.

Механічним очищенням можна досягти видалення з побутових стічних

вод до 60 % нерозчинених домішок.

В останні роки для інтенсифікації процесу механічного очищення побу-

тових стічних вод застосовують їх

попередню аерацію

(преаерацію). Інколи

процеси попередньої аерації та відстоювання здійснюють в одній споруді,

яку називають біокоагулятором, або освітлювачем. Таким способом можна

збільшити ефект механічного очищення побутових стічних вод до 75 %.

Хімічне очищення стічних вод полягає в додаванні до стоків спеціаль-

них речовин-реагентів, які, вступаючи в хімічну реакцію із забрудненнями,

що містяться у воді, сприяють випаданню в осад нерозчинених, колоїдних та

частково розчинених речовин, а також перетворенню деяких шкідливих речо-

вин на нешкідливі.

Для хімічного очищення стоків застосовують такі

споруди

пристрої

• реагентне господарство - для зберігання, приготування та транспор-

тування реагентів до змішувачів;

• змішувачі - для змішування реагентів із стічними водами, що очища-

ються;

• камери реакції - для контактування (реакції) стічних вод з реагента-

ми;

• відстійники

- для осадження оброблених реагентами (скоагульова-

них) забруднень стічних вод.

Хімічні методи застосовують, головним чином, при очищенні виробни-

чих стічних вод. При цьому отримується значна кількість осаду, який важко

піддається обробленню та утилізації.

Хімічні методи очищення дозволяють видалити із стоків до 95 % нероз-

чинених та до 25 % розчинених забруднюючих речовин, при цьому ефект

зниження БПК стічних вод може досягати 80 %. В деяких випадках хімічними

методами вдається видалити до 100 % розчинених речовин (наприклад, солей

важких металів).

До хімічних методів можна віднести електролітичне очищення стічних

вод, суть якого полягає в пропусканні крізь стічні води електричного струму.

При цьому іони електролітів починають рухатися до аноду і катоду, де вони

розряджаються й утворюють нові сполуки як між собою, так і з матеріалом

електродів. Якщо застосовують залізні електроди, то утворюється гідрат оки-

180

су заліза Fe(OH)

, що діє як коагулянт. Електролітичний метод очищення

здійснюють у спеціальних спорудах, які називають

електролізерами

. Після

електролітичного оброблення стічні води надходять у відстійники, де відбува-

ється осадження скоагульованого осаду.

Як і механічні, хімічні методи очищення можуть застосовуватися на кін-

цевій стадії оброблення стічних вод перед їх випуском у водойму, або як пер-

ший етап перед їх біологічним очищенням.

Хімічні методи очищення дуже часто доповнюють фізико-хімічними, та-

кими як

флотація

випарювання

екстракція

нейтралізація

, поглинання до-

мішок спеціальними речовинами-сорбентами тощо.

Суть методу біологічного очищення полягає в мінералізації шляхом ае-

робних біохімічних процесів органічних забруднень стічних вод, що знахо-

дяться у вигляді тонкодиспергованих нерозчинених та колоїдних речовин, а

також у розчиненому стані. Ці процеси відбуваються за участю спеціальних

аеробних мікроорганізмів - мінералізаторів органічних забруднень, що жив-

ляться органічними речовинами (білками, вуглеводами, органічними кислота-

ми тощо), які містяться у стічних водах, і розкладають їх на прості нешкідливі

сполуки: воду, вуглекислий газ і мінеральні солі. Частина речовин, що окис-

люється мікроорганізмами, витрачається на утворення біомаси (відбувається

процес

біосинтезу

). В результаті біологічного очищення отримують прозору

воду, що не загниває і містить розчинений кисень та нітрати.

У природі біологічне очищення середовища відбувається самовільно. За

мільйони років склалися стійкі екологічні відносини, де навіть найдрібніші

живі організми відіграють важливу роль. Вивчаючи ці складні взаємозв’язки,

людина використовує їх при створенні різноманітних біологічних очисних

споруд. Саме біологічним методам належить визначальна роль в технологіч-

них процесах очищення стічних вод.

Залежно від умов, в яких відбувається очищення стоків, споруди для біо-

логічного очищення поділяють на дві групи: до першої відносять споруди, в

яких біологічне очищення відбувається в умовах, близьких до природних (по-

ля зрошення, поля фільтрації, біологічні стави), а до другої - споруди, в

яких біологічне очищення протікає у штучно створених умовах (аеротенки

та біологічні фільтри, або біофільтри).

В біологічних ставах в очищенні стічних вод приймає участь усе водне

населення водойми; в біофільтрах активним агентом є тонка біологічна плів-

ка, прикріплена до поверхні його завантаження; діючим компонентом, що

очищує стічні води в аеротенку, є активний мул - сукупність мікроскопічних

рослин, тварин, грибів та бактерій.

Аеротенки являють собою великі бетонні резервуари, де стічну воду

продувають знизу потужним потоком найдрібніших пухирців повітря -

аеру-

ють. Через надлишок розчиненого кисню (завдяки аерації) та при постійному

надходженні органічних речовин (із стічними водами) в активному мулі бурх-