Гидросфера. Водные ресурсы Земли. Количество пресной воды, пригодной для использования

Водные ресурсы Земли. Количество пресной воды, пригодной для использования. Водопотребление: сельскохозяйственное, промышленное и бытовое (питьевое). Деградация природных вод. Процессы самоочищения водоемов.

Основные источники загрязнения природных вод. Классификация и основные характеристики сточных вод. Система ПДС (предельно допустимых сбросов) загрязняющих веществ в водоемы.

Средства защиты гидросферы. Классификация и методы очистки сточных вод (механические, физико-химические, химические и биологические). Их применение и эффективность. Создание водооборотных циклов как основной путь снижения потребления воды питьевого качества в промышленности.

Гидросфера - это водная оболочка Земли, представляющая собой совокупность океанов, морей, озер, рек, прудов, болот, подземных вод. Гидросфера – самая тонкая оболочка нашей планеты, она составляет лишь 10^-3% общей массы планеты, при этом общая площадь морей и океанов в 2,5 раза превышает территорию суши. Количество пресной воды составляет всего 2,5% всей воды на планете. Ее запасы распределены крайне неравномерно: 72,2% - льды, 22,4% - грунтовые воды, 0,35% - атмосфера, 5,05% - устойчивый сток рек и вода озер. На долю воды, которую мы можем использовать приходится всего 0,01% всей пресной воды на Земле.

В верхней части земной коры на разной глубине под почвой находятся обширные запасы подземных вод. Пресные воды, как правило, залегают до глубины 150-200 м, ниже они переходят в солоноватые и рассолы. Объем подземных пресных вод примерно в 100 раз больше, чем объем поверхностных пресных вод, содержащихся в озерах, реках и болотах.

Вода – единственная природная жидкость, имеющаяся на поверхности Земли в огромном количестве. Она находится не только в гидросфере, но и в атмосфере, и в литосфере. Это единственное вещество на Земле, существующее в природе во всех трех агрегатных состояниях: жидком, твердом и газообразном.

По количеству солей вода делится на: пресную (менее 1 г/л солей), засоленную (до 25 г/л солей) и соленую (более 25 г/л солей). Например, в океане – 35 г/л, в обычной пресной воде – 300-450 мг/л.

Среди насущных проблем человечества проблема воды стоит на первом месте. Больше всего воды потребляется сельским хозяйством. Вода идет на мелиорацию, обслуживание животноводческих комплексов. Хозяйственная деятельность человека привела к заметному сокращению количества воды в водоемах суши: мелеют водоемы, исчезают малые реки, высыхают колодцы, снижается уровень грунтовых вод.

Деградация природных вод связана в первую очередь с увеличением солесодержания. Количество минеральных солей в водах постоянно растет. Основная причина засоленности вод – истребление лесов, распашка степей, выпас скота. Вода при этом не задерживается в почве, не увлажняет ее, не пополняет почвенные источники, а скатывается через реки в море. В качестве мер, принятых для снижения засоленности рек, используется посадка лесов. Воды, используемые в мелиорации, в результате неправильной распашки земель также могут оказаться в реках. Ее минерализация при этом достигает 20 г/л. Огромный вклад в засоление воды вносит сброс промышленных стоков.

Наблюдается постоянный рост водопотребления как на производственные, так и на бытовые нужды.

Водоемы представляют собой сложную экосистему, которая создавалась в течение длительного времени. В них непрерывно протекает процесс изменения состава примесей, приближающийся к состоянию равновесия. Значительные отклонения от состояния равновесия могут привести к гибели популяций водных организмов и, в дальнейшем, к гибели всей экосистемы. Процессы, связанные с возвращением экосистемы к первоначальному состоянию, называются процессами самоочищения. К ним относятся:

- осаждение грубодисперсных и коагуляция коллоидных примесей;

- окисление (минерализация) органических примесей;

- окисление минеральных примесей кислородом;

- нейтрализация кислот и оснований за счет буферной емкости воды водоема;

- гидролиз солей тяжелых металлов, приводящий к образованию малорастворимых гидроксидов и выделению их из раствора и др.

Загрязнение водных систем представляет большую опасность, чем загрязнение атмосферы по следующим причинам:

- процессы регенерации или самоочищения протекают в водной среде гораздо медленнее, чем в воздухе;

- источники загрязнения водоемов более разнообразны;

- естественные процессы, осуществляющиеся в водной среде и подвергающиеся действию загрязнений, более чувствительны сами по себе и имеют большее значение для обеспечения жизни на Земле, чем те, которые протекают в атмосфере.

Основными источниками загрязнения поверхностных и подземных природных вод являются:

- предприятия черной и цветной металлургии;

- нефтеперерабатывающая промышленность

- химическая промышленность

- легкая промышленность, особенно текстильное производство и процессы дубления кожи.

- городские (преимущественно - бытовые) сточные воды – это вода из кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, столовых, прачечных;

- целлюлознобумажная и лесохимическая промышленность.

В зависимости от условий образования сточные воды делятся на три группы:

1) атмосферные воды (или ливневые), несущие массы вымываемых из воздуха загрязнителей промышленного происхождения. При стекании по склонам атмосферные и талые воды дополнительно увлекают с собой массы веществ. Особенно опасны стоки с городских улиц, промышленных площадок, несущие массы нефтепродуктов, мусора, фенола, кислот.

2) бытовые сточные воды, включающие преимущественно стоки, содержащие фекалии, детергенты, микроорганизмы, в том числе патогенные;

3) промышленные сточные воды – жидкие отходы, которые возникают при добыче и переработке сырья. Являются наиболее опасными отходами, т.к. содержат целый спектр вредных веществ – ксенобиотиков.

Для снижения антропогенной нагрузки на окружающую среду сточные воды (как бытовые так и промышленные) подвергаются очистке.

В настоящее время существует большое количество методов очистки сточных вод и различные виды их классификации. В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, принято все существующие методы классифицировать на четыре группы: механические, физико-химические, химические и биологические.

Механическая очистка сточных вод применяется для удаления из стоков твердых и жидких нерастворимых примесей.

Основными процессами механической очистки являются:

1) процеживание сточной воды на решетках и сетках для выделения крупных кусков примесей и посторонних предметов;

2) улавливание в песколовках тяжелых примесей, проходящих через решетки и сетки;

3) отстаивание для удаления нерастворяющихся тонущих и плавающих органических и неорганических веществ, не задерживаемых решетками и песколовками;

4) удаление твердых взвешенных частиц инерционными методами в гидроциклонах и центрифугах;

5) фильтрование через различные фильтры для задержки тонкодисперсных взвесей.

Тот или иной процесс механической очистки или комбинацию их применяют в зависимости от свойств примесей и необходимой степени их выделения.

Физико-химические методы играют значительную роль при очистке ПСВ, применяются как самостоятельно, так и в сочетании с механическими, химическими и биологическими методами. Эти методы используются для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

К физико-химическим методам относятся коагуляция, флокуляция, флотация, ионный обмен, гиперфильтрация и электрохимические методы.

Коагуляция - это слипание частиц коллоидной системы при их столкновении в процессе теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ, т.е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов.

Сущность флокуляции заключается в агрегации частиц, при которой контакт частиц происходит через молекулы адсорбированного на частицах флокулянта. Флокуляцию проводят для интенсификации процесса коагуляции.

Флотация - это процесс выделения мелкодисперсных загрязнений из воды с диспергированными пузырьками воздуха. Флотация применяется для удаления из СВ нефти, нефтепродуктов, масел, волокнистых материалов, ПАВ-ов. Принцип флотации заключается в том, что диспергированные в суспензии пузырьки воздуха прилипают к частицам взвеси и всплывают вместе с ними на поверхность жидкости, образуя на ней пену, которая может быть далее удалена различными методами. Выделяют следующие методы флотационной обработки ПСВ: флотация с выделением воздуха из раствора; флотация с механическим диспергированием воздуха; флотация с подачей воздуха через пористые материалы; электрофлотация; химическая флотация.

Ионный обмен - процесс обмена между ионами, находящимися в растворе, и ионами, присутствующими на поверхности твердой фазы - ионитами. Ионообменную очистку реализуют последовательным фильтрованием сточной воды через катиониты и аниониты.

Гиперфильтрация (обратный осмос) - непрерывный процесс молекулярного разделения растворов путем их фильтрования под давлением через полупроницаемые мембраны, задерживающие молекулы или ионы растворенного вещества. Используются полимерные мембраны в виде пленки, вода после очистки может быть возвращена в оборотную систему водоснабжения, а концентрат подлежит дальнейшей утилизации.

Существует четыре основных электрохимических метода для очистки сточных вод:

- электролиз сточных вод (СВ) с использованием растворимых железных или алюминиевых электродов - анодов (электрокоагуляция);

- удаление растворимых примесей с использованием анодного окисления и катодного восстановления;

- электролиз с использованием полупроницаемых мембран (электродиализ);

- электрофлотация.

Все эти процессы протекают на электродах при пропускании через сточную воду постоянного электрического тока. Основной недостаток - большой расход электроэнергии, а достоинство - возможность извлечения из СВ ценных продуктов при относительно простой автоматизированной технологической схеме очистки, без использования химических реагентов.

Основными методами химической очистки СВ являются нейтрализация, окисление и восстановление. Ее применяют как метод глубокой очистки ПСВ с целью их дезинфекции, обесцвечивания или извлечения различных компонентов. Способы нейтрализации: взаимная нейтрализация кислых и щелочных СВ; нейтрализация реагентами (растворы кислот, негашеная известь СаО, гашеная известь Са(ОН)₂, кальцинированная сода NaCO₃, аммиачная вода и др.); фильтрование через нейтрализующие материалы (известняк, доломит, мел, магнезит); В результате нейтрализации активная реакция водной среды приближается к рН=7. Выбор метода нейтрализации определяется различными факторами.

Окислительный метод очистки СВ применяется для их обезвреживания, при содержании в них таких соединений, как цианиды, сероводород, сульфиды, соединения мышьяка и др. Для очистки СВ используют следующие окислители: газообразный и сжиженный хлор, диоксид хлора, хлорат кальция, гипохлориты кальция и натрия, перманганат калия, бихромат калия, пероксид водорода, кислород воздуха, озон и т.д. В процессе окисления загрязнения, содержащиеся в СВ, в результате химических реакций переходят в менее токсичные и удаляются из воды. Очистка окислителями связана с большим расходом реагентов, поэтому ее применяют только в случаях, когда нецелесообразно или нельзя извлечь загрязняющие вещества другими методами.

Метод восстановления основан на восстановлении легко восстанавливаемых веществ - соединений ртути, хрома, мышьяка. В качестве восстановителей могут быть использованы активированный уголь, сульфат закисного железа, бисульфат натрия (используется наиболее часто на практике), водород.

Биологическая очистка СВ применяется для выделения из них тонкодисперсных и растворенных органических веществ и основана на способности микроорганизмов использовать содержащиеся в сточных водах органические вещества (кислоты, спирты, белки, углеводы и т.п.) (в качестве пищи). Процесс реализуется как в аэробных, так и в анаэробных условиях (т.е. без доступа кислорода).

Создание водооборотных циклов является одним из главных направлений охраны и рационального использования водных ресурсов. В этих циклах осуществляется многократное использование воды без выбросов загрязненных стоков в водоемы, а расход свежей воды связан лишь с естественной ее убылью (испарение, брызгоунос). В настоящее время доля оборотного водопотребления в промышленности составляет 86 %.

В настоящее время применяют три основные схемы водооборотных циклов. При этом вся вода в процессе производства может только нагреваться, либо только загрязняться или нагреваться и загрязняться одновременно. В первом случае ее охлаждают только в градирне или в другом аппарате, во втором – подвергают очистке, а в третьем – очищают и охлаждают, после чего она вновь поступает в производство.