Общие сведения о водоснабжении и водоотведении

Во все времена поселения людей и размещение промышленных объектов происходило в непосредственной близости от пресных водоемов, используемых для питьевых, гигиенических, сельскохозяйственных и производственных целей. В процессе использования воды человеком она изменяла свои природные свойства и в ряде случаев становилась опасной в санитарном отношении. Впоследствии с развитием инженерного оборудования городов и промышленных объектов возникла необходимость в устройстве организованных способов отведения загрязненных отработанных потоков воды по специальным гидротехническим сооружениям.

В настоящее время значение пресной воды как природного сырья постоянно возрастает.

Водоснабжение представляет собой комплекс мероприятий и специальных сооружений по обеспечению водой различных ее потребителей.

Системы водоснабжения зданий и объектов любого назначения должны обеспечить потребителей водой заданного качества, в требуемом количестве и под необходимом напором. Снабжение водой зданий и отдельных объектов может осуществляться от наружной водопроводной сети (населенного пункта, предприятия) или от собственного местного (подземного или поверхностного) источника водоснабжения.

Выбор источника водоснабжения является одной из наиболее ответственных задач при проектировании любой системы водоснабжения. Источник водоснабжения определяет:

характер системы водоснабжения;

технологическую схему водоснабжения и состав сооружений, входящих в нее;

экологическую стабильность объекта водоснабжения;

строительную и эксплуатационную стоимость системы водоснабжения. Практически все используемые для целей водоснабжения природные источники могут быть отнесены к двум группам:

поверхностные (реки, озера, водохранилища, моря);

подземные (грунтовые воды, артезианские воды, родники).

Правильное решение вопроса о выборе источника водоснабжения для каждого данного объекта требует тщательного анализа водных ресурсов района, в котором он расположен. При выборе реки в качестве источника водоснабжения необходимо учитывать сезонные колебания ее расхода. Периодически пересыхающие или промерзающие реки не могут быть использованы в качестве источника водоснабжения. Однако по своему дебиту средние, крупные реки и водохранилища могут удовлетворить потребность в воде большинства городов. Интенсивное же использование подземных вод в качестве источников водоснабжения приводит к осушению поверхности земной коры и возникновению тектонических подвижек грунтов.

Поверхностные источники характеризуются значительными колебаниями качества воды и количества загрязнений в разные периоды года.

Вода рек и водохранилищобладает значительной мутностью, высоким содержанием органических веществ (особенно в период паводков), значительной цветностью. Речную воду отличает небольшая жесткость (содержание солей Ca и Mg). Например, жесткость воды в Неве составляет 0,7 мг ·экв/л, а в Москве-реке – 2-5 мг·экв/л (для сравнения, жесткость питьевой воды должна быть не более 10 мг·экв/л). Кроме того, в речной воде содержится значительное количество бактерий, включая патогенные (болезнетворные), количество которых измеряют коли-титром (тот наименьший объем воды, в котором еще содержится кишечная палочка) или коли-индексом, числом кишечных палочек, содержащихся в 1 л воды. Вода озер отличается малым содержанием взвешенных веществ, малой мутностью, значительной минерализацией, цветностью.

Подземные воды, как правило, прозрачны и бесцветны. Артезианские воды, перекрытые сверху водонепроницаемыми породами, защищены от поступления проникающих с земли стоков. Они обладают высокими санитарными качествами (т.е. не требуют глубокой очистки). Однако подземные воды имеют повышенную жесткость, часто содержат много железа и фтора, что требует использования специальных установок по их удалению.

Сопоставляя основные показатели качества воды природных источников с требованиями, предъявляемыми к качеству воды главных групп потребителей, можно сделать вывод, что для целей водоснабжения населенных мест наиболее подходящими являются подземные воды. Однако, принимая во внимание, что для крупных населенных мест дебит подземных вод часто оказывается недостаточным, водоснабжение большинства крупных городов полностью или в значительной степени базируется на использовании поверхностных вод.

Источник водоснабжения должен отвечать следующим основным требованиям:

обеспечить бесперебойное поступление требуемого количества и качества воды с учетом роста потребности в водоснабжении;

обладать достаточной мощностью (отбор воды не нарушает экологическое состояние жизнедеятельности водоема);

находиться на кратчайшем расстоянии от объекта водоснабжения.

Обеспечение населения чистой доброкачественной водой имеет большое гигиеническое значение, так как предохраняет людей от различных эпидемических заболеваний (передаваемых через воду). Подача достаточного количества воды в населенное место позволяет поднять общий уровень его благоустройства. Для удовлетворения потребностей современных городов в воде требуются громадные ее количества, измеряемые в миллионах кубических метров в сутки. Выполнение этой задачи, а также обеспечение высоких санитарных качеств питьевой воды требуют тщательного выбора природных источников, их защиты от загрязнения и надлежащей очистки воды на водопроводных сооружениях.

Производственные процессы на предприятиях большинства отраслей промышленности также сопровождаются расходованием воды.

Следует отметить, что кроме обеспечения водой населения и промышленности, осуществляемого системами водоснабжения, огромное народнохозяйственное значение имеет обеспечение водой сельского хозяйства для искусственного орошения земель в целях успешного выращивания сельскохозяйственных культур и получения высоких урожаев.

При использовании в быту и промышленности вода загрязняется веществами минерального и органического происхождения. Такую воду принято называть сточной водой.

В зависимости от происхождения сточных вод они могут содержать токсичные вещества и возбудители различных инфекционных заболеваний. Водохозяйственные системы городов и промышленных предприятий оснащены современными комплексами самотечных и напорных трубопроводов и других специальных сооружений, реализующих отведение, очистку обезвреживание и использование воды и образующихся осадков. Такие комплексы называются водоотводящей системой. Водоотводящие системы обеспечивают также отведение и очистку дождевых и талых вод. Строительство водоотводящих систем обусловливалось необходимостью обеспечения нормальных жилищно-бытовых условий населения городов и населенных мест и поддержания хорошего состояния окружающей природной среды. О применении воды для удаления нечистот свидетельствуют археологические раскопки древних поселений Вавилонии, Ассирии, Финикии, Египта, Греции и Рима. Для отведения сточных вод в естественные проточные водоемы или для орошения сельскохозяйственных земель иногда строились крупномасштабные гидротехнические сооружения, выложенные кирпичом с обмазочной гидроизоляцией, обеспечивающие пропуск больших водных потоков. Литературные источники свидетельствуют о существовании каналов для отведения дождевых и бытовых сточных вод в Индии и Китае около 5-6 тыс. лет назад. За несколько тысячелетий до нашей эры, в ассирийском Саргонском дворце был построен канал высотой 1,4 м и шириной 1,2 м. Древние греки в Афинах для отведения сточных вод построили канал шириной до 4,2 м. Поражает высокое качество строительных работ. В древнем Риме в VI в. до н. э. был построен большой, закрытый водоотводящий канал «Клоака Максима». Отдельные части этого канала использовались вплоть до начала 20-го столетия н. э.

Промышленное развитие и рост городов в Европе в XIX в. привели к интенсивному строительству водоотводящих каналов. Сильным толчком к развитию водоотведения городов стала эпидемия холеры в Англии в 1831 г. В последующие годы в этой стране усилиями парламента были реализованы мероприятия по замене открытых каналов подземными и утверждены нормативы качества сточных вод, сбрасываемых в водоемы, организована биологическая очистка бытовых сточных вод на полях орошения.

Первые водоотводящие сооружения в России были построены в Новгороде в XII в. – бревенчатый канал перекрывался пластинами и берестой. В XIV в. в Москве была проложена водосточная труба от центральной Ивановской площади до р. Москвы. В XV-XVI в. в Москве строилась система из деревянных дренажных труб и каналов из кирпича и камня, уложенных с небольшим уклоном. Вершиной технического прогресса водохозяйственного строительства в Сибири в XVIII в. считается водоснабжение и водоотведение Змеиногородского рудника по добыче золота. Проект этой системы был разработан талантливыми русскими умельцами в 1783-1785 гг. Реализованное к 1787 г. строительство комплексных сооружений, обслуживающих три шахты, рудообогатительную фабрику, кузницу и пильную мельницу, решалось с многократным использованием воды, что является прообразом современного принципа повторно-последовательной технологии водопользования. Суммарный расход воды в системе составлял 17,3 тыс. м³/сут; общая протяженность системы – около 2,5 км.

Технический прогресс в водоснабжении и водоотведении на Алтае базировался на сложных инженерных разработках наших соотечественников. Алтайский горный округ был в то время одним из главных поставщиков золота в царскую казну, вследствие чего на алтайские рудники и заводы направлялись лучшие специалисты, в их числе «водных дел мастера» с Урала и из Центральной России И.И. Ползунов и К.Д. Фролов.

В XVIII в. в Петербурге были построены кирпичные водостоки по набережной р. Невы на Васильевском острове. Вплоть до конца XIX в. самым распространенным приемником нечистот были выгребные ямы, это способствовало загрязнению воды питьевых колодцев домовладений. Во избежание засорений водоотводящих трубопроводов применяли грубые фильтры из булыжника.

В 1898 г. в Москве введена в эксплуатацию первая водоотводящая система, включавшая самотечные и напорные водоотводящие сети, насосную станцию и Люблинские поля орошения. Она стала родоначальницей самой крупной в Европе московской системы водоотведения и очистки сточных вод.

Используя европейский опыт в США к началу ХХ в. было канализовано около 1000 городов. Большинство систем водоотведения обеспечивало отведения сточных вод по подземным самотечным трубопроводам и сброс неочищенных стоков в водоемы.

Комплексное развитие систем водоотведения с очистными сооружениями началось после установления норм очистки сточных вод при выпуске их в реку, разработанных в Англии в 1876 г. Достижения науки и техники способствовали повышению степени благоустройства городов до уровня современной цивилизации.

Особое значение имеет развитие современной системы водоотведения бытовых и производственных сточных вод, обеспечивающих высокую степень защиты окружающей природной среды от загрязнений. Наиболее существенные результаты достигнуты при разработке новых технологических решений в вопросах эффективного использования воды систем водоотведения и очистки производственных сточных вод.

Предпосылками для успешного решения этих задач при строительстве водоотводящих систем являются разработки, выполняемые высококвалифицированными специалистами, использующими новейшие достижения науки и техники в области строительства и реконструкции водоотводящих сетей и очистных сооружений.

Сточные воды – это пресные воды, изменившие после использования в бытовой и производственной деятельности человека свои физико-химические свойства и требующие отведения.

По происхождению сточные воды могут быть классифицированы на следующие: бытовые, производственные и атмосферные.

Бытовые сточные воды образуются в жилых, административных и коммунальных (бани, прачечные и др.) зданиях, а также в бытовых помещениях промышленных предприятий. Это сточные воды, которые поступают в водоотводящую сеть от санитарных приборов (умывальников, раковин или моек; ванн, унитазов и трапов – напольных приборов с решетками). Особенности образования этих сточных вод хорошо известны.

Производственные сточные воды образуются в процессе производства различных товаров, изделий, продуктов, материалов и пр. К ним относятся отработавшие растворы, маточники, кубовые остатки, технологические и промывные воды барометрических конденсаторов, вакуум-насосов и охлаждающих систем; шахтные и карьерные воды; воды химводоочистки, воды от мытья оборудования и производственных помещений, а также от очистки и охлаждения газообразных отходов, очистки твердых отходов и их транспортировки.

Атмосферные сточные воды образуются в процессе выпадения дождей и таяния снега, как на жилой территории населенных пунктов, так и территории промышленных предприятий, АЗС и др. Часто эти воды называют дождевыми или ливневыми, вследствие того, что в большинстве случаев максимальные (расчетные) расходы образуются в результате выпадения ливней (дождей).

Основными характеристиками сточных вод являются:

· количество сточных вод, характеризуемое расходом, измеряемым в л/с, м³/ч, м³/смену, м³/сут. и т.д.;

· виды (компоненты) загрязнений и содержание их в сточных водах, характеризуемое концентрацией загрязнений, измеряемой в мг/л или г/ м³;

· степень равномерности (или неравномерности) их образования и поступления в водоотводящие системы. Обычно она определяется неравномерностью поступления сточных вод по часам суток в году. Эти характеристики учитываются при проектировании водоотводящих систем.

В бытовых сточных водах содержатся загрязнения минерального и органического происхождения. Те и другие находятся в нерастворенном, растворенном и коллоидном состояниях. Часть нерастворенных загрязнений, задерживаемых при анализах на бумажных фильтрах, называют взве­шенными веществами. Наиболее опасны загрязнения органического проис­хождения. В бытовых сточных водах взвешенных веществ органического происхождения содержится в среднем 100...300 мг/л. Содержание органи­ческих загрязнений, находящихся в растворенном состоянии, оценивается значениями биохимической потребности в кислороде (БПК) и химической потребности в кислороде (ХПК). Бытовые сточные воды имеют БПК=100...400 мг/л, а ХПК=150....600 мг/л, и их можно оценить как весьма загрязненные. При хранении они способны загнить через 12-24 ч (при t = 20°С).

В городах расход бытовых вод с 1 га площади кварталов обычно равен 0,3 - 2 л/с (удельный расход) или 10000-60000 м³год. В водоотводящую сеть они поступают сравнительно неравномерно и по часам суток и по суткам в году. В дневное время расход больше, чем в ночное, расходы по часам суток могут изменяться в 2 - 5 раз.

В течение года в отдельные сутки расходы бытовых вод изменяют­ся незначительно, лишь в 1,1 - 1,2 раза.

Производственные сточные воды различных отраслей промышлен­ности содержат различные загрязнения. Различна и концентрация их за­грязнения. Для примера ниже приведена характеристика сточных вод неко­торых отраслей промышленности.

В сточных водах заводов черной металлургии по отдельным цехам содержится: взвешенных неорганических веществ 0,2-5 г/л; окалины 0,3-2 г/л; фенола 0,7-1 г/л, смол и масел 0,2-1,8 г/л.

В сточных водах целлюлозно-бумажных заводов взвешенных ве­ществ содержится 400 - 2000 мг/л. Это преимущественно древесное волок­но и целлюлоза. БПК сточных вод составляет 100-200 мг/л для общего сто­ка сульфатных заводов и 0,8-2 г/л сульфитных.

В сточных водах текстильных предприятий содержится: взвешен­ных веществ 250-400 мг/л, моющих средств 50-120 мг/л, БПК их достигает 300-350 мг/л.

В сточных водах предприятий тяжелой индустрии содержатся в основном загрязнения минерального происхождения, а пищевой и легкой промышленности - загрязнения органического происхождения. Количество и неравномерность образования сточных вод, отводимых от предприятий различных отраслей промышленности, весьма различны.

В дождевых водах содержится значительное количество нераство­ренных минеральных примесей, а также загрязнения органического проис­хождения. БПК дождевых вод достигает 50-60 мг/л. Исследованиями ус­тановлено, что дождевые воды могут являться источниками загрязнения водоемов. Расход дождевых вод с 1 га площади территории города достига­ет 150 л/с (1 раз в год) и 300 л/с (1 раз в 10 лет). Это в 50-300 раз больше расхода бытовых вод. В то же время общий расход дождевых вод за год составляет 1500-2000 м³ с 1 га, т.е. в 5-30 раз меньше расхода бытовых вод. Образование (выпадение) дождевых вод происходит весьма неравно­мерно. Их расход изменяется от нуля (в сухую погоду) до максимального значения 300 л/с (в период выпадения интенсивных ливней).

Достаточно широко используется понятие «городские сточные во­ды». Под ним понимается смесь бытовых и производственных сточных вод. В реальных условиях в чистом виде бытовых вод не бывает. В сточных во­дах, поступающих от городов, городских сточных водах всегда содержатся компоненты загрязнений, характерные для производственных сточных вод (нефтепродукты, кислоты, щелочи, соли и др.). При решении задач отвода и очистки городских сточных вод это необходимо учитывать.

Все указанные выше сточные воды требуют обязательной очистки при их отведении в открытые водоемы, так как в них содержатся различные загрязняющие вещества в концентрациях, значительно превышающих пре­дельно допустимые.

Различная степень загрязнения сточных вод и природа их образо­вания выдвигают при проектировании важную задачу совместного или раз­дельного отведения отдельных видов сточных вод, совместной или раз­дельной их очистки.

Физическая модель сточных вод представляет собой двухфазную систему «жидкое - твердое», и любая технология очистки вод заключается в извлечении твердой фазы. Законы термодинамики указывают на то, что вода легко загрязняется и этот процесс идет без значительных энергозатрат. Напротив, процессы очистки воды реализуются с использованием различ­ных сложных процессов с заметными удельными энергозатратами. Система «жидкое - твердое» характеризуется энтропией, которая выражает скрытую энергию, необходимую для очистки сточных вод. Чем выше концентрация загрязнений и чем больше разнородность состава, тем выше энтропия и больше энергетические затраты на очистку воды.

Разнородность состава загрязнений сточных вод и действующие явления диссоциации при изменении энергетического состояния системы способствуют тому, что стопроцентная очистка сточных вод невозможна, и поэтому она регламентируется значениями предельно допустимых концен­траций (ПДК).

Вопросы для самопроверки:

1. Перечислить основные требования к системе водоснабжения по обеспечению потребителей, зданий и объектов любого назначения.

2. Дать определение: Система водоснабжения - комплекс …

3. Дать определение: Водоотводящая система - комплекс …

4. Дать определение: Общесплавная система канализации - это система….

5. Перечислить, что определяет источник водоснабжения.

6. Перечислить основные группы природных источников для водоснабжения.

7. Перечислить основные характеристики сточных вод.