Водопотребления и водоотведения

Гидросфера – водная оболочка Земли, играющая огромную роль в создании, существовании и развитии биосферы. Без гидросферы невозможно существование живых организмов. Вода как химическое соединение обладает рядом специфических свойств и особенностей, которые определили в значительной мере строение и функции населяющих ее живых существ и живого вещества биосферы в целом. Как жидкость вода хороший растворитель, основная среда и участник большинства биохимичесих реакций и процессов в живых организмах. В природе вода является аккумулятором солнечной и термической энергии и распределителем этой энергии по планете. Имеет высокую диэлектрическую проницаемость; может испаряться, в том числе и в замёрзшем состоянии; имеет аномально высокую скрытую теплоту испарения – 2263, 8 Дж /г при 100⁰С; высокое поверхностное натяжение и полную прозрачность в видимом участке спектра; несжимаема. В экологическом плане вода уникальна и незаменима как источник газообразного кислорода. Выделяемого в процессе фотосинтеза и является донором ионов водорода, используемых в фотосинтетических процессах.

Под водными ресурсами гидросферы понимают пригодные для использования в хозяйственной деятельности воды: морские, речные, озерные, подземные, почвенные, лед горных ледников, воды искусственных водоемов и водяные пары без связанной воды, входящей в состав живого вещества. Природные воды делятся на два класса: пресные и соленые. Пресной называют воду, в 1 кг которой содержится не более 1 г солей. Средняя соленость океанической воды 34, 7% или 347 г/л, в них преобладают Cl и Nа, а в речных и озерных – гидрокарбонаты кальция и магния. Концентрация растворенных в воде солей определяет степень ее солености (жесткости). Океаническая вода содержит в 175 раз больше солей, чем в водах рек и озер. Запасы пресной воды составляют 2, 5 – 2, 8 % от общего количества её на планете. Ресурсы поверхностных и подземных вод подразделяются на единовременные, стационарные и возобновимые. Поверхностные воды сосредоточены в акватории Мирового океана и в континентальных водоемах. Последние расположены в углублениях суши и могут быть естественными и искусственными. Естественные водоемы – реки, озера, болота, ручьи; искусственные – каналы, водохранилища, пруды. Основная масса континентальных водных ресурсов на планете сосредоточена в реках и составляет 38, 8 тыс. км³ воды. Реки, озера, пруды относятся к возобновимым водным ресурсам. Возобновимые ресурсы – это как раз та динамическая (подвижная) часть биосферного круговорота воды, благодаря которому все виды гидросферы возобновляются с определенной скоростью. Т. е., если научиться использовать воду в объеме возобновления ее в круговороте воды в биосфере, то источники водных ресурсов станут практически неисчерпаемыми. Развитие цивилизации изменяет естественный круговорот воды, прежде всего из-за изменения баланса транспирируемой воды, а также из-за образования такого промежуточного звена как техническое водопотребление. Расход пресной воды осуществляется по нескольким направлениям, таким как хозяйственно-бытовое, промышленное и сельскохозяйственное водопользование. По ГОСТ 17.11.01 – 77 водопользованием называется использование водных объектов для удовлетворения нужд населения и хозяйственной деятельности. Наибольшими потребителями воды являются химическая, нефтеперерабатывающая, нефтехимическая промышленность.

Особая роль в этом процессе принадлежит орошению – искусственному увлажнению почвы и поверхности растений путем подачи воды из водного источника, в целях обеспечения растений влагой, промывки почв и регулирования их солевого режима. 70 % потребляемой человеком пресной воды используется в земледелии, при этом 60 % из них не доходит до полей. В связи с этим, в настоящее время применяются более прогрессивные методы орошения: капельное, подпочвенное. Водные ресурсы РБ представлены совокупностью рек, озер, водохранилищ, грунтовых и подземных вод. Формируются водные ресурсы республики за счет атмосферных осадков и перетока поверхностных вод с сопредельных территорий. Количество воды, протекающее в единицу времени через поперечное сечение реки, называется ее расходом. Годовой расход представляет водность реки. Ежегодный вынос воды реками называется жидким стоком, вынос реками всевозможных твердых частиц – твердый сток. Сток растворенных частиц и биосток – вынос речными водами различных организмов и продуктов их жизнедеятельности. Объем стока рек в РБ, как и везде на планете, колеблется в зависимости от количества выпавших осадков в году, достигая в многоводные годы 96 км³/год, а в маловодные до 36 км³. С 1990 г в РБ, как и во всем мире наметилась тенденция к сокращению собственного стока рек, снижению уровня озер и образованию депрессионных воронок подземных горизонтов. Это связано с увеличением безвозвратных потерь в результате нарушения гидрологического режима на территории республики, изменением климата в сторону аридности и увеличением водозабора пресных вод на технологические и другие нужды. Т. о. не смотря на кажущееся водное изобилие в республике, сохранение водного баланса и сокращение потерь водных ресурсов актуальная задача всех водопользователей и водопотребителей. Характеристика водопотребления. Использование воды может идти 2-мя путями: без изъятия воды из источника и с изъятием её. 1-ый путь или проточное водопотребление – судоходство, рыбное хозяйство, гидроэнергетика; 2-ое – водоснабжение и орошение. В мировом водопотреблении орошаемое земледелие занимает первое место. О недостатках этого пути водопотребления мы говорили выше. На 2-ом месте по объему забираемой из природных источников пресной воды стоит промышленное водопотребление. На производство 1 т готовой продукции расходуется 15 – 20 м³ воды для стали и чугуна, 25 – 80 м³ – серной кислоты, 2000 – 3000 – синтетического каучука. Валовое потребление пресной воды мировой промышленностью составляет около 400 км³, а ежегодный суммарный безвозвратный расход в промышленности составляет около 400 км³, ежегодный суммарный безвозвратный расход в промышленности составляет 40 км³. В соответствии с ГОСТ 17.11.01 – 77 водопотреблением называется потребление воды из водного объекта или из систем водоснабжения. Водопотребление хозяйственного объекта устанавливается по укрупненным нормам водопотребления, представляющим собой целесообразное количество воды, необходимое для производственного процесса и установленное на основании научно обоснованного расчета или передового опыта. В промышленности используется несколько систем водоснабжения: прямоточная – с однократным использованием воды потребителем и последующим сбросом из системы; прямоточная с последовательным использованием воды – система с многократным последовательным использованием воды потребителями и сбросом воды из системы; замкнутая система водопотребления и водоотведения – в которой все сточные воды после соответствующей очистки возвращаются для повторного использования в систему водоснабжения, при этом сброс сточных и других вод в водоемы и водотоки полностью исключается. Водоотведением называется система инженерных сооружений, обеспечивающих сбор загрязненных сточных вод, их очистку, обеззараживание и удаление загрязнений за пределы промпредприятия. На химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятиях применяется полная раздельная система водоотведения. При её разработке руководствуются следующими основными требованиями:

– необходимость максимального уменьшения объема сточных вод и снижения содержания в них примесей;

– возможность извлечения из сточных вод ценных примесей с их последующей утилизацией;

– повторное использование сточных вод в технологических процессах и системах оборотного водоснабжения;

– использование сточных вод на других предприятиях, а также для орошения с/х земель.

На многих предприятиях существуют системы оборотного водоснабжения, предусматривающие рециркуляцию воды с очисткой и (или) охлаждением при условии многократного использования воды одним и тем же потребителем. Такие системы могут быть технологическими и охлаждающими. Технологические – представляют собой систему, в которой вода используется в качестве растворителя, экстрагента продуктов, транспортирующей среды при этом вступает в непосредственный контакт с продуктом и загрязняется им. Охлаждающая система – в которой вода используется в качестве хладоагента для охлаждения или конденсации жидких или газообразных продуктов (как правило не соприкасаясь с ними) и приобретает так называемое тепловое загрязнение. Открытая охлаждающая система оборотного водоснабжения – это система, в которой вода поступает в качестве хладоагента с последующим охлаждением в градирнях, брызгальных бассейнах и таким путем вступая в контакт с атмосферным воздухом. Требования к качеству повторно используемой оборотной воды устанавливаются водопользователем. Нормой водоотведения считается количество сточных вод, отводимых от предприятия, при целесообразной норме водопотребления. Укрупненные нормы водопотребления и водоотведения разработаны для всех отраслей промышленности и представлены в специальных справочниках. Например, для НПЗ топливного профиля на 1 т переработанной нефти при оборотной системе водоснабжения требуется 0, 38 – 1, 32 м³ технической воды и 0, 01 – 0, 017 м³ питьевой, при этом объем возвратной воды составит 0, 18 – 0, 32 м³, а безвозвратное потребление и потери составят 0, 25 – 1, 03 м³ в зависимости от глубины переработки нефти. Загрязненные воды от технологического оборудования через водоотводящую сеть поступают на очистные сооружения. Бытовое водопользование состоит из хозяйственно-бытового и питьевого водоснабжения. В связи с ростом урбанизации мировая норма водопотребления на одного человека увеличилась до 400 л/сут. На цели питьевого водоснабжения обычно забираются подземные наиболее чистые по природе воды. В нашей республике основными водопотребителями являются жилищно-коммунальное хозяйство и промышленность – 59 % от общего водопотребления. В последние годы в республике прослеживается постоянная тенденция к сокращению водозабора, что связано с общим падением уровня производства, тогда как хозяйственно-бытовое водопотребление постоянно увеличивается. В структуре общего водозабора в РБ преобладают подземные воды. Мы уже отмечали, что несмотря на достаточно мощные запасы пресной воды в РБ, обеспеченность питьевой водой составляет не более 67 % и дефицит пресной воды увеличивается. Проблема чистой питьевой воды в республике становится одной из самых важных в связи с возрастающим химическим и радиоактивным загрязнением природных вод. Состояние загрязнения природных вод. В соответствии с ГОСТ 17.13.07 – 82 «Охрана природы. Гидросфера. Правила контроля качества водоемов и водотоков» осуществляется мониторинг состояния природных вод. Пробы воды отбираются 7 – 12 раз в год в зависимости от категории водного объекта.В поверхностных водах определяется свыше 50 показателей и ингредиентов: газовый и солевой состав; биогенные элементы и основные загрязняющие вещества; тяжелые металлы. Выделяют следующие группы показателей качества воды: органолептические, микробиологические, содержание химических токсинов. Органолептические – цветность, запах, вкус и привкус, мутность, пенистость. Гидрохимические показатели являются основными методами, характеризующими состояние водного объекта. Определение их осуществляется экспресс или полевыми методами, либо в лабораторных условиях. Экспресс анализы проводятся с помощью тест-комплектов в момент отбора проб – это определение рН, растворенного кислорода, минерализации (гидрокарбонаты, карбонаты, сульфаты, хлориды, сухой остаток, общая жесткость, катионы кальция, магния, натрия, магния, калия; биогенные элементы – нитраты, фосфаты, аммонийный азот. Примеси и тяжелые металлы – нитриты, фториды, медь, кадмий, а также содержание железа. Для каждого контрольного створа производится расчет индекса загрязненности вод (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических значений показателей качества для 6-и основных загрязнителей воды:

ИЗВ = (Σ С_i / ПДК_i ) /6,

где С_i – среднее значение определяемого показателя за период наблюдений (при гидрохимическом мониторинге – это среднее значение за год); ПДК_i – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества; 6 – число строго ограниченных показателей, используемых для расчета. В это число входят следующие показатели: концентрация растворенного кислорода, БПК₅ и еще четыре показателя наиболее неблагополучные для данного водоема, т. е. имеющие наибольшие относительные концентрации (отношение С_i / ПДК_i ) Как показали многолетние наблюдения, в республике естественный гидрохимический фон природных вод к настоящему времени превратился природно-техногенный, т. е. содержание в водах макрокомпонентов сульфатов, хлоридов, натрия и калия, настолько превышает фоновые концентрация, что выходит за все существующие пределы природных изменений. Наиболее распространенными и неблагоприятными веществами водоемов РБ являются аммонийный и нитритный азот, легко окисляемые органические вещества, нефтепродукты и цинк. По всем этим веществам на протяжении многих лет в поверхностных и подземных водах наблюдается превышение ПДК. В последние годы отмечается стойкое увеличение ИЗВ по всем рекам республики, что на фоне сокращения сброса сточных вод свидетельствует о нарастании скорости вторичного загрязнения и деградации процессов самоочищения водоемов, их трансформации. Определение содержания химических токсинов (пестицидов, нефтепродуктов, тяжелых металлов, СПАВ и др.) повышает качество оценки водного источника, но требует дорогостоящего оборудования, высокой квалификации персонала, выполнения сложных и дорогостоящих методик. Эти анализы выполняются в обязательном порядке в рыбохозяйствах, санитарных и эпидемиологических и экологических службах. Определение микробиологических показателей проводится в лабораторных условиях в первую очередь по индикаторному показателю БГКП – бактерии группы кишечной палочки, типичным представителем которых является Еsсhеrуhiа соli, которая не является патогенным микроорганизмом. Коли – индекс – это количество БГКП в единице объема воды (не более 3 в литре). Коли-титр – это количество воды, в котором обнаруживается присутствие бактерий кишечной палочки. По интегральной оценке качества вода подразделяется на семь классов от очень чистой до чрезвычайно грязной – ИЗВ от 0, 3 до 10. На ухудшение качества подземных вод существенное влияние оказывает санитарно-техническое состояние самих водозаборов, т. к. для большинства из них отсутствуют нормы режима их содержания и эксплуатации. В нарушении всех правил в пределах зон санитарной защиты водозаборов располагаются животноводческие комплексы, навозохранилища, склады минудобрений

Тема 8