Стольберг Ф.В. Экология города (урбоэкология)

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 3. Водная среда города

101

Флотационная очистка применяется для удаления из воды поверхностно-

активных веществ (ПАВ), нефтепродуктов, жиров, смол и др. Процесс фло-

тации заключается в сорбировании содержащихся в воде примесей поверхно-

стью пузырьков воздуха, нагнетаемого в очищаемую жидкость. В практике

очистки вод используются напорные, безнапорные, вакуумные и электро-

флотационные установки. Наибольшее распространение получили напорные

установки (рис. 3.15). В таких установках вода сначала насыщается воздухом

под давлением, а затем подается в открытый резервуар, где происходит выде-

ление пузырьков и сорбирование ими содержащихся в воде примесей. Иног-

да сжатый воздух подается в нижний слой жидкости, находящейся в резерву-

аре (флотаторе). Для повышения эффективности очистки воздух подается

через пористые (фильтросные) пластины. При вакуумной флотации в флота-

торе создается разряжение, способствующее образованию пузырьков воздуха.

Для безнапорной флотации используются эрлифтные установки, которые

позволяют существенно (в 2—4 раза) снизить затраты электроэнергии на фло-

тационную очистку. Повышению эффективности очистки вод при флотации

способствует наличие синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ).

Образуемая ими густая стойкая пена повышает степень извлечения из воды

эмульгированных и диспергированных примесей. При флотации одновременно

достигается дегазация очищаемых вод и насыщение их кислородом.

Рис. 3.15. Установки флотационной очистки:

1 — загрязненная вода; 2 — сжатый воздух; 3 — газгольдер; 4 — флотатор; 5 — очищенная

вода; 6 — пенный шлам

При электрофлотации образование пузырьков газа происходит вследствие

электролиза воды. На аноде выделяется кислород, на катоде — водород. Од-

нако этот метод очистки из-за больших затрат электроэнергии и роста ее

стоимости практически не используют. По этим же причинам все реже при-

меняют некогда широко распространенные электрохимические методы очист-

ки вод: анодное окисление и катодное восстановление, электрокоагуляция,

электродиализ. Электрохимические методы очистки основаны на пропуска-

нии постоянного электрического тока через очищаемую жидкость. Кисло-

род, выделяемый на аноде, окисляет органические примеси. В качестве ано-

дов используют электролитические неразлагаемые материалы: графит, маг-

нетит, диоксиды свинца, марганца или рутения, наносимые на титановую

основу. На катодах происходит выделение водорода и оседание ионов метал-

102 Экология города

лов с образованием нерастворимых гидроксидов. Катоды изготовляют из ста-

ли или алюминия. В процессе электролиза катионы катодов, взаимодействуя

с гидроксидными группами, образуют гидроокиси в виде хлопьев. Этот про-

цесс называется электрокоагуляцией.

Одной из разновидностей электрохимической очистки является электроди-

ализ, который основан на разделении находящихся в растворе ионизированных

веществ по отсекам, отгороженным проницаемыми мембранами (рис. 3.16).

Высокий эффект достигается при использовании мембран из ионитов. Электро-

диализ является эффективным методом опреснения вод, в частности морской

воды для последующего использования ее в питьевом водоснабжении. Установ-

ки опреснения морской воды успешно используют в Израиле, других странах

Ближнего Востока. С 1973 г. в Казахстане, на полуострове Мангышлак в Кас-

пийском море, эксплуатируется одна из крупнейших в мире установок по оп-

реснению морской воды. Энергией ее обеспечивает построенная здесь АЭС.

Электрохимические методы отличаются универсальностью, обеспечивают высо-

кую эффективность очистки, хорошо поддаются автоматизации. Однако их не-

достатком, как уже отмечалось, является большой расход электроэнергии.

А°

(Na*

И ч

NaOH

—h

NaOH

Рис. 3.16. Принцип работы установок электродиализа:

А — с обычной пористой мембраной; Б — с ионитной мембраной

Другие физико-химические методы очистки вод имеют ограниченное

применение.

Экстракция — извлечение из сточных вод растворенных или эмульгиро-

ванных веществ с помощью экстрагента — растворителя более сильного, чем

вода. Например, очистка сточных вод от нефтепродуктов путем растворения

их бензином с последующей его отгонкой.

Эвапорация — отгон из воды летучих веществ водяным паром.

Гиперфильтрация (обратный осмос), микрофильтрация — выделение из воды

гидратированных ионов, молекул и других мельчайших частиц путем пропус-

кания ее под большим давлением через мембраны, размеры отверстий кото-

рых меньше размеров извлекаемых из воды частиц. Например, обратный ос-

мос используется для обессоливания воды.

При наличии на производстве излишков тепла, например, горячих дымо-

вых газов, можно организовать выпаривание или испарение сточных вод. При

Раздел 3. Водная среда города

103

этом следует применять меры по охране атмосферного воздуха от испаряе-

мых вредных веществ, таких как бенз(а)пирен и др.

Испарение сточных вод может происходить и в естественных условиях в

накопителях-исгЛарителях, представляющих собой земляные сооружения иног-

да гигантских размеров — высотой в несколько десятков метров, диаметром в

несколько километров.

3.5.5. Условия приема производственных сточных вод

в городскую систему водоотведения

Производственные сточные воды, как правило, проходят очистку на самом

предприятии и в дальнейшем могут быть использованы этим же предприятием,

переданы для использования другому предприятию, сброшены в водный объект

или по системе водоотведения направлены на общегородские очистные соору-

жения. Необходимая степень очистки городских сточных вод определяется ус-

ловиями сброса сточных вод в водные объекты. Однако очистительные возмож-

ности общегородских очистных сооружений, основным звеном которых являет-

ся комплекс биологической очистки, довольно ограничены. На сооружениях

биологической очистки из сточных вод практически не извлекаются ионы тяже-

лых металлов, не подвергаются деструкции искусственно синтезированные орга-

нические вещества. Поэтому в составе производственных сточных вод, подава-

емых на общегородские очистные сооружения, содержание веществ, неподдаю-

щихся или плохо поддающихся биохимическому окислению, должно быть

ограниченно или они должны отсутствовать вовсе.

Активный ил, представляющий собой определенным образом сформиро-

вавшееся сообщество микроорганизмов и который является главным "рабочим"

инструментом биологической очистки, может быть уничтожен или в значитель-

ной мере поврежден под воздействием кислот, щелочей, токсичных веществ или

высокой температуры. Поэтому подаваемые на биологическую очистку произ-

водственные сточные воды не должны губительно действовать на активный ил.

Кроме того, сточные воды, подаваемые в систему водоотведения, не дол-

жны вызывать разрушение и засорение канализационных коллекторов.

Исходя из этого, запрещается сбрасывать в городские системы водоотве-

дения производственные сточные воды:

• имеющие рН менее 4,0 и более 9,0;

• при показателях ХПК, более чем в 2,5 раза превышающих БПК

или

более чем в 1,5 раза превышающих БПК

полн

, что свидетельствует о зна-

чительных концентрациях в сточных водах органических соединений,

неподдающихся биохимическому окислению;

• содержащие токсичные и радиоактивные вещества, возбудителей инфек-

ционных заболеваний, а также вещества, для которых не установлены ПДК;

• с содержанием взвешенных и всплывающих веществ свыше 500 мг/л;

• с температурой выше 40° С.

104

Экология города

В городские системы водоотведения запрещается сбрасывать:

• концентрированные маточные и кубовые растворы;

• осадки после локальных очистных сооружений, грунт, строительный и

бытовой мусор, производственные отходы;

• кислоты, щелочи, растворители, смолы, бензин, мазут и другие нефте-

продукты;

• растворы, содержащие сероводород, сероуглерод, легколетучие углево-

дороды;

• вещества, способные засорять трубы, колодцы, решетки или отлагаться

на стенках труб;

• горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные

образовывать взрывоопасные смеси, агрессивные газы с разрушающим

коррозионным воздействием на канализационные сети и сооружения.

Сброс сточных вод промышленных предприятий в городскую систему

водоотведения должен производиться равномерно в течение суток. Залповые

сбросы не допускаются.

Сброс сточных вод в водные объекты после очистки на общегородских

очистных сооружениях регламентируется нормативами предельно допусти-

мых сбросов загрязняющих веществ (ПДС). Учитывая ограниченные очис-

тительные возможности общегородских очистных сооружений, управление

по эксплуатации этих сооружений устанавливает для своих абонентов-пред-

приятий, сбрасывающих сточные воды в городскую систему канализации,

лимиты приема по количеству и составу промстоков. Лимиты устанавлива-

ются таким образом, чтобы обеспечить нормативные условия сброса очи-

щенных на общегородских сооружениях сточных вод в водный объект. Для

соблюдения установленных каждому предприятию лимитов производится

локальная очистка производственных сточных вод, как правило, на самом

предприятии. Иногда несколько предприятий организуют совместную очи-

стку своих сточных вод.

3.5.6. Условия сброса сточных вод в водные объекты

Сброс сточных вод в водные объекты относится к одному из видов

специального водопользования и осуществляется на основе разрешения,

выдаваемого местными органами экологической безопасности (разд. 10.2).

Отведение сточных вод в водные объекты регламентируется нормами пре-

дельно допустимых сбросов веществ (ПДС). ПДС — это максимально до-

пустимая масса вещества, отводимая со сточными водами в единицу вре-

мени, которая позволяет обеспечить соблюдение^норм качества воды в

контрольном створе водного объекта для наихудших условий водопользо-

вания. ПДС устанавливается для каждого выпуска сточных вод в водный

объект. ПДС для каждого показателя качества воды определяется как про-

изведение максимального часового расхода сточных вод на его предельно

допустимое значение:

Раздел 3. Водная среда города

105

ПДС= Q

- С

пдс

где С

пдс

~ предельно допустимое значение показателя, г/м

; 0

ст

— макси-

мальный часовой расход сточных вод, м

/час.

Расчет С

пдс

*>базируется на следующих методологических положениях:

1) С

пдс

рассчитывается для наихудших условий водопользования. Они

характеризуются следующими параметрами:

— расчетный расход водотока соответствует максимальному среднеме-

сячному расходу года 95% водной обеспеченности для незарегулиро-

ванных водотоков или минимальному гарантированному расходу че-

рез плотину — для зарегулированных;

— значение показателя в фоновом створе (фоновая концентрация) опре-

деляется расчетным путем как статистически обоснованная верхняя

граница возможных средних значений;

— нормы качества воды в контрольном створе должны соблюдаться в

наиболее загрязненной части потока;

2) в соответствии с «Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения

возвратными водами» (1999) ПДС устанавливаются для определения необхо-

димой степени очистки сточных вод, сбрасываемых в водные объекты при

условии соблюдения нормативов экологической безопасности водопользова-

ния (разд. 3.3.2);

3) если фоновая концентрация по каким-либо показателям не удовлетво-

ряет нормам качества воды, то С

пдс

должно быть обеспечено непосредствен-

но в сточной воде;

4) расчетная величина С

пдс

не должна превышать фактически достигну-

тую (проектную) величину концентрации;

5) выпуск сточных вод в пределах черты населенного пункта допускается

в исключительных случаях, в этом случае экологические нормы качества воды

должны соблюдаться в самих сточных водах;

6) в соответствии с Правилами (1999) для городских сточных вод, прошед-

ших полную биологическую очистку, установлены следующие С

//дс

: БПК

—

не более 15 г/м

, ХПК — не более 80 г/м

, взвешенных веществ — не более

15 г/м

; сброс остальных загрязняющих веществ нормируется исходя из усло-

вий соблюдения достигнутой категории качества воды водного объекта;

7) если сброс сточных вод происходит в пределах черты населенного пунк-

та, но осуществляется через эффективный рассеивающий выпуск, то ПДС

должен обеспечить соблюдение норм качества воды в зоне начального раз-

бавления рассеивающего выпуска;

8) если природное качество водного объекта (природный фон) по отдель-

ным показателям превышает ПДК, то величины ПДС должны обеспечивать

сохранение фонового состояния водного объекта.

Исходными данными для расчета ПДС являются: тип водного объекта —

приемника сточных вод; расчетное значение фоновой концентрации; крат-

ности разбавления сточных вод, соответствующие наихудшим гидрологичес-

106

Экология города

ким условиям; тип выпуска сточных вод; место расположения выпуска; фак-

тические (проектные) значения концентрации в сточной воде; утвержденный

максимальный часовой расход сточных вод.

В качестве примера рассмотрим методику расчета С

пдс

для сосредоточен-

ного выпуска промышленного предприятия, расположенного в пределах чер-

ты населенного пункта. Сброс сточных вод осуществляется в водоток.

В соответствии с методическим положением 5) нормы качества воды дол-

жны соблюдаться в самой сточной воде. В соответствии с методическим по-

ложением 2) эти нормы должны соответствовать требованиям экологической

безопасности коммунально-бытового водопользования. Согласно этим нор-

мам в сточной воде должны выполняться следующие условия:

а) величина БПК

полн

, ХПК, минерализации и концентрации для веществ

3 и 4 классов опасности должны соответствовать нормативным значениям,

приведенным в «Общих требованиях к качеству поверхностных вод» (ОТ) и

в перечне предельно допустимых концентраций веществ, приведенном в

«Санитарных правилах и нормах охраны поверхностных вод от загрязнения»

(СанПиН 4630-88), т.е. С

^с = ОТ или С%™

= ПДК, где С

™с ~ расчетная

концентрация, установленная для ПДС.

В соответствии с методическим положением 4) величина С

пдс

не должна

превышать фактически достигнутую (проектную) концентрацию (С

сг

) нор-

мируемого вещества в сбрасываемых сточных водах:

С < С (3.1)

ПДС — ^СТ•

Исходя из этого, можно записать:

адс

= тт[ПДК(ОТ), С

с7

. ];

б) для веществ 1 и 2 классов опасности нормы качества будут соблюдены

в самой сточной воде, если выполняется соотношение:

Сщс

' = 1 (3 2)

Г пдк.

Очевидно, что для каждого вещества С

шс

составляет долю своего ПДК, т.е.:

пдс

= К. • ПДК., (3.3)

где К< 1.

Ограничение (3.1) может быть приведено к виду:

С С

_ ^ПДС,

С Г/

' ПДК - ПДК

(

Из (3.2) следует, что

Ia;- 1, (3.5)

если это условие не противоречит соотношению (3.4).

Раздел 3. Водная среда города 107

Таким образом, значения С

ПДС

определяются соотношением (3.3), в

котором значения K

должны удовлетворять ограничениям (3.4) и (3.5).

С учетом этих ограничений величины К. должны подбираться таким обра-

зом, чтобы достижение норм ПДС требовало минимальных затрат.

3.6. Поверхностный сток с городской территории

и территорий промышленных предприятий

Поверхностный сток с территорий городов и промышленных площа-

док является существенным источником загрязнения и засорения вод-

ных объектов. Установлено, что в урбанизированных зонах с развитым

агропромышленным сектором с поверхностным стоком в водные объек-

ты поступает более 80% загрязняющих веществ. Контроль за отведением

загрязненного поверхностного стока регламентируется Государственным

стандартом Украины ДСТУ 3013—95 "Правила контроля за отведением

дождевых и снеговых сточных вод с территорий городов и промышлен-

ных предприятий".

Поверхностный сток включает в себя дождевые, снеговые и поливомоеч-

ные сточные воды. Он бывает организованным и неорганизованным. Орга-

низованный поверхностный сток собирается с водосборной территории

посредством специальных лотков и каналов и поступает в сети канализации

или прямо в водный объект через выпуски ливневых вод. Неорганизованный

поверхностный сток стекает в водный объект по рельефу местности.

Основными источниками загрязнения поверхностного стока на городских

территориях являются:

• мусор с поверхности покрытий;

• продукты разрушения дорожных покрытий;

• продукты эрозии грунтовых поверхностей;

• выбросы веществ в атмосферу промышленными предприятиями, авто-

транспортом, отопительными системами;

• проливы нефтепродуктов на поверхности покрытий;

• потери сыпучих и жидких продуктов, сырья, полуфабрикатов;

• площадки для сбора бытового мусора.

Наиболее высокий уровень загрязнения поверхностного стока наблю-

дается на территориях крупных торговых центров, автомагистралях с ин-

тенсивным движением транспорта, территориях промышленных и авто-

транспортных предприятий, неупорядоченных строительных площадках.

Формирование поверхностного стока происходит под воздействием ком-

плекса природных (атмосферные осадки, испарение, фильтрация, задержа-

108

Экология города

ние влаги растениями) и антропогенных (использование водосборной тер-

ритории, применение искусственных покрытий, технология мойки искус-

ственных покрытий) факторов. Специфические особенности поверхностного

стока, связанные с эпизодичностью его поступления, резкими изменения-

ми расхода и уровня загрязнения, изменчивостью состава загрязняющих

веществ, значительно затрудняют контроль и регламентацию поступления

его в городские системы водоотведения или в водные объекты.

Контроль состава поверхностного стока осуществляют путем анализа

проб, которые отбирают из дождевой или промышленно-дождевой сети.

Отбор проб производят порционно. Для получения детальной информа-

ции о составе поверхностного стока производится анализ каждой отобран-

ной пробы. Для дождевых вод интервал между отбором проб в начале

дождя равняется 5—10 мин., а в последующий период 20—30 мин. Ориенти-

ровочные данные о составе дождевых вод получают путем анализа усред-

ненной за период дождя пробы. При этом пробы отбирают через равные

промежутки времени, а объемы последовательно отбираемых проб долж-

ны быть пропорциональны расходу дождевых вод. Для снеговых вод пробы

отбирают в дни снеготаяния между 12 и 14 часами с интервалом в 30 мин.

Результаты контроля используют для оценки выноса загрязняющих ве-

ществ с поверхностным стоком.

Оценку выноса веществ с поверхностным стоком производят на основе

ориентировочных данных о составе и количестве поверхностного стока. Для

организованного поверхностного стока используют данные измерений рас-

хода сбросных вод и результаты анализа проб. Для неорганизованного поверх-

ностного стока, а также при невозможности организовать необходимые из-

мерения расход поверхностного стока определяют расчетным путем, а кон-

центрации веществ в поверхностном стоке принимают на основании

обобщенной количественной характеристики каждой составляющей поверх-

ностного стока.

Ориентировочные обобщенные данные о составе поверхностного стока с

городских территорий приведены в таблицах 3.9 и 3.10.

Таблица 3.9. Осредненные показатели состава поверхностного стока

с территории города

Показатель

Концентрация сточных вод, г/м

Показатель

дождевые воды снеговые воды

поливомоечные воды

Взвешенные вещества

Минеральный состав

ХПК

БПК

Нефтепродукты

1000 - 2000

300

400 - 600

50 - 100

10 - 15

2000 - 4000

750 - 1500 *

100 - 300

30 - 40

3000 - 5000

200 (БПК )

ПОЛИ'

Раздел 3. Водная среда города

109

Таблица 3.10. Среднее содержание взвешенных веществ

в поверхностном стоке с территории города в зависимости

от характеристики водосборного бассейна

Характеристика

Содержание взвешенных веществ, г/м

водосборного бассейна

дождевой сток

снеговой сток

Современная жилая застройка 1400 - 1500

2500

Недостаточно благоустроенные

территории с преобладанием

усадебной застройки

1800 - 2500

2000

Центральные благоустроенные

районы города с интенсивным

дорожным движением

1700 - 2200

3000

Жилая застройка с высоким уров-

нем благоустройства и регулярной

механизированной уборкой дорож-

ных покрытий

300 - 1000

отсутствие за счет

уборки и вывоза

снега

Районы, включающие крупные

промышленные предприятия и

жилые кварталы 1700 - 2500

4000

Строительные площадки, жилые

районы на территории, подвержен-

ной эрозии

4000 - 6000

Состав поверхностного стока с территории промышленных предприя-

тий определяется характером основных технологических процессов, эф-

фективностью работы систем пыле- и газоулавливания, организацией скла-

дирования и транспортирования сырья и отходов производства, санитар-

ным состоянием территории. Для обеспечения нормального производствен-

ного процесса на территории промышленных предприятий должны орга-

низовываться своевременная уборка и вывоз снега. Основным видом

поверхностного стока в этом случае являются дождевые сточные воды. В

зависимости от состава накапливающихся на территории промплощадок

и смываемых поверхностным стоком веществ промышленные предприя-

тия делят на две группы. К первой группе относят предприятия, поверхно-

стный сток с территории которых не содержит специфических веществ с

токсичными свойствами и близок по своему составу к дождевому стоку с

районов жилой застройки. К этой группе относят предприятия энергети-

ческой отрасли, черной металлургии (кроме коксохимических производств),

машиностроения, металлообрабатывающие и нефтеперерабатывающие за-

воды, приборостроительные заводы, предприятия легкой, пищевой, элект-

ротехнической отраслей промышленности. Остальные предприятия отно-

сятся ко второй группе и характеризуются наличием в поверхностном сто-

ке со своей территории большого количества органических примесей и

специфических веществ. Ориентировочный состав поверхностного стока с

территории промышленных предприятий приведен в табл. 3.11.

110 Экология города

Таблица 3.11. Усредненные показатели состава дождевого стока

с территорий промышленных предприятий

Показатель

Содержание в дождевом стоке с территории

предприятий, г/м

Показатель

1-й группы 2-й группы

Взвешенные вещества 500 - 2000 2000 - 4000

БПК

• в пересчете на растворенные

вещества 20 - 30 40 - 90

• с учетом диспергированных 40 - 60 80 - 180

веществ

ХПК:

# в пересчете на растворенные 100 - 200 —

вещества

• с учетом диспергированных 200 - 600

веществ

10 - 30 18 - 25

Нефтепродукты:

• при интенсивном движении

30 - 70

автотранспорта

до 500

• для нефтяной отрасли

200 - 500

—

Минеральный состав

В поверхностном стоке с территории предприятий второй группы содер-

жатся также специфические токсические вещества, такие как тяжелые ме-

таллы, фенолы, фтор, мышьяк, роданиды, аммиак и другие. Наличие спе-

цифических веществ определяется технологией производства.

Для того чтобы определить количество веществ, поступающих в водный

объект с поверхностным стоком, необходимо знать его состав и расход. Ко-

личество дождевых и снеговых вод зависит от количества выпавших

атмосферных осадков и характеристик водосборной территории. Объем по-

ливомоечных вод определяется принятой технологией мойки и площадью

обрабатываемых покрытий. Не все выпавшие атмосферные осадки и воды,

образующиеся после мойки площадей, улиц и автодорог, попадают в вод-

ный объект. Часть атмосферных осадков перехватывается верхними яруса-

ми растительного покрова и не достигает поверхности земли. Попавшие на

водосборную площадь осадки и поливомоечные воды стекают по склону

местности в водный объект, по пути, задерживаясь в неровностях рельефа,

испаряются, просачиваются в почву и грунтовые воды. Возможные потери

атмосферных осадков и поливомоечных вод на пути к родному объекту пред-

ставлены на рис. 3.17. Оставшаяся часть поверхностных сточных вод со-

ставляет общий слой поверхностного стока. Для учета потерь поверхност-

ных сточных вод на водосборной площади используется понятие коэффици-

ента стока (i|/). Этот коэффициент численно равен отношению количества