Некоторые показатели качества ливневых сточных вод г. Гомеля

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

Заочный факультет

Кафедра химии

Некоторые показатели качества ливневых сточных вод г. Гомеля

Дипломная работа

Исполнитель:

студентка группы Б-62

Баланчук Валентина Викторовна

Научный руководитель:

доцент кафедры химии,

к.х.н., доцент

Пролесковский Юлиан Антонович

Гомель 2012

Реферат

Дипломная работа: 64 страницы, 15 таблиц, 13 рисунков, 35 источников.

Ключевые слова: ливневые сточные воды, классификация, физико-химические показатели, рН, железо общее, марганец, азот аммонийный, хлориды, фосфаты, предельно-допустимые концентрации веществ, методы анализа качества ливневых сточных вод

Объект исследования: ливневые сточные воды с территории г. Гомеля.

Методы исследования: Исследования проводились на коллекторах ливневой канализации г. Гомеля ежемесячно в течение 2010 и 2011 гг.

Для проведения работы использовались фотометрический, титриметрический и атомно-абсорбционный методы. В работе проведён ряд статистических анализов, для чего использовалась программа Statistica 6.0.

Цель исследования: изучить формирование поверхностного стока с городской территории и площадок промышленных предприятий г. Гомеля, особенности химического состава и его влияние на состояние водных объектов.

Результаты исследований:

В ходе работы был проведен анализ неорганических показателей качества ливневых сточных вод за 2010-2011 гг.

Проведен ряд статистических анализов. Расчеты показали, что установленные нормативы ПДК регулярно превышаются по такому показателю как железо общее, и эпизодически превышаются по азоту аммонийному и фосфатам.

По данным дисперсионного анализа содержание железа общего в коллекторах Прудковский, Хатаевичский, Новый мост в 2010 и 2011 годах остается на одном уровне. В коллекторе Киевский спуск содержание железа общего в 2011 г. снизилось на 23 %, а в коллекторе Лещинский, наоборот, увеличилось на 64 %.

Содержание фосфатов в коллекторах Киевский спуск и Лещинский в 2010 и 2011 годах не изменилось. В Прудковском и Хатаевичском коллекторах в 2011 г. содержание фосфатов увеличилось на 62 % и 69 % соответственно, а в коллекторе Новый мост - уменьшилось на 42 %. А содержание азота аммонийного во всех коллекторах в 2010 и 2011 годах не изменилось.

Установлено, что за исследуемый период наиболее загрязненными являлись сточные воды, отводимые через коллектора Хатаевичский и Лещинский.

Содержание

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Сточные воды, их классификация, предъявляемые требования,

предельно-допустимые концентрации химических веществ

1.2 Методы очистки сточных вод

1.2.1 Коагуляция

1.2.2 Адсорбция

1.2.3 Химические методы очистки сточных вод

1.2.4 Механическая очистка

1.3 Физико-химические методы анализа сточных вод

1.3.1 Водородный показатель рН

1.3.2 Железо общее

1.3.3 Марганец

1.3.4 Аммонийные ионы и аммиак

1.3.5 Фосфаты

1.3.6 Хлориды

2. Объект, программа и методика исследований

2.1 Общая характеристика городской застройки и ливневой канализации

2.2 Методика отбора проб

2.3 Методики количественного определения неорганических показателей в ливневых сточных водах

2.3.1 Железо общее

2.3.2 Марганец

2.3.3 Аммонийные ионы и аммиак

2.3.4 Фосфаты

2.3.5 Хлориды

2.4 Методика выполнения измерений содержания марганца, железа методом атомно-абсорбционной спектроскопии

3. Результаты исследований и их обсуждение

3.1 Характеристика поверхностного стока с территории г. Гомеля

3.1.1 Анализ содержания железа общего в коллекторах

3.1.2 Анализ содержания марганца в коллекторах

3.1.3 Анализ содержания азота аммонийного в коллекторах

3.1.4 Анализ содержания фосфатов в коллекторах

3.1.5 Анализ содержания хлоридов в коллекторах

3.1.6 Анализ уровня рН в коллекторах

3.2 Нормирование сбросов сточных вод в поверхностные водные объекты

3.2.1 Расчет допустимых концентраций загрязняющих веществ

3.2.2 Причины загрязнения поверхностного стока

Заключение

Список использованных источников

загрязняющий сток качество водный

Введение

Воды, находящиеся на поверхности планеты (материковые и океанические), образуют геологическую оболочку, называемую гидросферой. Гидросфера находится в тесной связи с другими сферами Земли: литосферой, атмосферой и биосферой. Водные пространства - акватории - занимают значительно большую часть поверхности земного шара по сравнению с сушей. По современным данным, акватория Мирового океана составляет 70,8 %, однако 95 % ее сосредоточено в морях и океанах, 4 % - во льдах Арктики и Антарктики, 1 % составляет пресная вода рек и озер. Кроме того, большие запасы воды имеются в толще земли - это так называемые подземные воды.

Вода - ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания. Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

Потребности в воде огромны и ежегодно возрастают. Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное количество воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод [1].

Вода постоянно находится в движении, перемещаясь с течениями рек и морей, а также испаряясь с поверхности водоемов и выпадая затем в виде атмосферных осадков. Она аккумулирует тепло, влияет на распределение солнечной энергии на земле и образование различных по климатическим особенностям районов. Вода водоемов способна самоочищаться и обеззараживаться. Это сложный физико-химический процесс.

В последние годы во всех странах мира все более пристальное внимание уделяется рассредоточенным источникам загрязнения, влияние которых на качество водных объектов сопоставимо, а в отдельных случаях превышает нагрузку от сосредоточенных сбросов сточных вод промышленных и коммунально-бытовых предприятий [2, 3].

Поверхностный сток с урбанизированных территорий - серьезный источник загрязнений. В короткий промежуток времени, когда происходит вынос загрязняющих веществ с талыми, дождевыми, поливомоечными водами, масса этих веществ может превышать массу веществ, поступающих в водные объекты от сосредоточенных выпусков сточных вод. Кроме того, ливневые коллектора, как правило, имеют выпуски в водные объекты в черте города, т.е. практически в створе водопользования, что усугубляет экологическую ситуацию и часто приводит к превышению установленных нормативов качества воды для водотоков и водоемов соответствующего назначения [4, 5].

На балансе Коммунального унитарного предприятия по содержанию дорог «ГорСАП» г. Гомеля находится преобладающая часть (19 из 21) выпусков ливневых вод города.

Целью работы изучение формирования поверхностного стока с городской территории и площадок промышленных предприятий г. Гомеля, особенностей его химического состава и влияние на санитарное состояние водных объектов.

Актуальность темы: Нормирование предельно допустимых сбросов и концентраций загрязняющих веществ в сточных водах водопользователей является одной из наиболее эффективных мер охраны водных объектов от загрязнения. Оно способствует рациональному использованию водных ресурсов, внедрению экологически чистых технологических процессов, строительству эффективных очистных сооружений.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные данные могут быть использованы при разработке бассейновых очистных сооружений ливневой канализации в прибрежной полосе озера Дедно. Результаты исследований могут быть применены при преподавании химических дисциплин (экологическая химия).

1. Обзор литературы

1.1 Сточные воды, их классификация, предъявляемые требования, предельно-допустимые концентрации химических веществ

Вода сточная - это вода, отводимая после использования в хозяйственно-бытовой и производственной деятельности (кроме карьерной, дренажной, шахтной, рудничной), а также отводимая с застроенной территории, на которой она образовалась в результате выпадения атмосферных осадков.

Сточные воды, отводимые с территории промышленных предприятий, условно разделяют на три вида:

1) производственные - использованные в технологическом процессе производства или получающиеся при добыче полезных ископаемых (угля, нефти, руд); Бывают загрязненные и незагрязненные (условно чистые);

2) бытовые - от санитарных узлов производственных и непроизводственных корпусов и зданий, а также от душевых установок, имеющихся на территории предприятия;

3) атмосферные - дождевые и от таяния снега.

Атмосферные осадки, называемые часто ливневыми стоками, отводятся отдельной системой канализации или объединяются с незагрязненными производственными сточными водами и могут в определенных случаях сбрасываются в водоем без очистки. На химических предприятиях часто необходимо предусматривать системы очистки и для ливневых стоков.

Выпуск производственных сточных вод в городскую канализацию регламентируется следующими условиями:

1) производственные сточные воды не должны нарушать работу коммунальных сетей и сооружений;

2) в них не должно содержаться более 500 мг/л взвешенных и всплывающих веществ;

3) они не должны содержать вещества, способные засорять трубы канализационных сетей или отлагаться на стенках труб;

4) не должны оказывать разрушающее действие на материал труб и элементы сооружений канализации;

5) не должны содержать горючие примеси и растворенные газообразные вещества, способные образовывать взрывоопасные смеси в канализационных сетях и сооружениях;

6) не должны содержать вредных веществ в концентрациях, препятствующих биологической очистке сточных вод или сбросу их в водоем.

7) производственные сточные воды должны иметь температуру не выше 40.

Производственные сточные воды, не удовлетворяющие указанным требованиям, следует предварительно очищать, охлаждать или разбавлять до требуемых сформулированными условиями параметров [6, 7].

Характеристики бытовых и промышленных сточных вод приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристика бытовых и промышленных сточных вод [8]

Показатели	Бытовые сточные воды	Промышленные сточные воды
Происхождение	Образуются в результате хозяйственно-бытовой деятельности и физиологических выделений людей	Образуются в результате технологических процессов на производстве, сопровождающихся удалением отходов, потерей сырья и реагентов или готовой продукции
Количество	Ограничено пределами водопотребления населения для физиологических и культурно-бытовых нужд	Определяется потребностями технологических процессов и характеризуется значительными колебаниями
Внешний вид	Однообразный	Крайне различный
Режим спуска	Ограниченная степень неравномерности, определяющаяся бытовыми условиями жизни населения	Различный - соответственно технологическому процессу; может быть весьма неравномерным
Взвешенные вещества	Обнаруживают постоянство по количеству и качеству	Крайне разнообразны по количеству и качеству
Реакция	Нейтральная или слабощелочная	От резкощелочной до резко кислой, нередко меняющейся во времени
Химический состав	Однообразный, преобладают органические соединения животного или растительного происхождения	Различный, могут преобладать органические синтетические вещества или минеральные соединения
Токсичность и бактерицидность	Не свойственна	Может обнаруживаться в различной степени
Типичность состава и свойств	Заметно выражена, колебания концентрации зависят от уровня водопотребления	Выражена лишь для одинаковых производств
Показатели	Бытовые сточные воды	Промышленные сточные воды
Гигиеническое значение	Преимущественно эпидемиологическое значение, всегда общесанитарное	Преимущественно общесанитарное значение, иногда эпидемиологическое, часто токсилогическое
Методы обезвреживания	Биологические на типовых сооружениях с дезинфекцией	Самые разнообразные, часто химико-механические, дезинфекция исключена

Поверхностный сток с урбанизированных территорий существенно отличается от сточных, сбросных и дренажных вод. Для поверхностного стока характерны нестационарность воздействия при относительно высокой интенсивности в течение коротких промежутков времени (половодные и паводковые периоды), смещение высоких концентраций загрязняющих веществ к началу дождя или к началу снеготаяния, повышенная загрязненность поливомоечных вод в маловодный период, возможность выклинивания загрязненных подземных вод (вследствие антропогенного воздействия в течение предыдущего, иногда многолетнего периода), поступление в ливневую канализацию стоков различного химического состава с территорий промышленных предприятий и т.п.

Промышленные предприятия, организации, учреждения и другие субъекты хозяйствования г. Гомеля производят сброс промдождевых сточных вод со своих территорий в городскую сеть ливневой канализации с количеством загрязняющих веществ, превышающих установленные нормативы, при этом нарушается работа канализационных сетей и сооружений, происходит загрязнение окружающей среды.

Поверхностный сток с урбанизированных территорий включает три качественно и количественно разнородных составляющих - дождевые воды, талые воды и поливомоечные воды [9, 10].

Перечень загрязняющих веществ, выносимых поверхностным стоком с урбанизированных территорий, весьма широк и сильно отличается для талых, дождевых и поливомоечных вод. Здесь сказываются как природные, так и антропогенные факторы. К последним относятся: благоустройство территории, транспортные нагрузки, производственная ориентация промышленных предприятий и т.д. По условиям формирования загрязненного поверхностного стока его можно разделить на две основные категории:

сток с селитебной территории;

сток с площадок промышленных предприятий.

Сток с селитебных территорий (как дождевой, так и талый) характеризуется повышенным содержанием взвешенных веществ, нефтепродуктов и растворимых примесей в виде солей органического происхождения, особенно азота и фосфора. Поверхностный сток с промплощадок по своему составу может существенно отличаться в зависимости от технологии производства, организации складского хозяйства, наличия локальных очистных сооружений и других производственных факторов. Диапазон загрязняющих веществ в этом стоке чрезвычайно широк. Следовательно, выбор лимитирующих ингридиентов более сложен.

Поверхностный сток г. Гомеля представляет собой смесь стока с селитебной территории и стока с промплощадок [11].

Предельно-допустимая концентрация (ПДК) химического вещества в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования - гигиенический норматив, утверждаемый постановлением Главного государственного санитарного врача Республики Беларусь.

ПДК - максимальная концентрация вещества в воде, которая при поступлении в организм в течение всей жизни не должна оказывать прямого или опосредованного влияния на здоровье населения в настоящем и последующих поколениях, в том числе в отдаленные сроки жизни, а также не ухудшать гигиенические условия водопользования.

Разработка ПДК веществ проводится в подразделениях научных учреждений, высших учебных заведений, центрах гигиены и эпидемиологии, получивших аккредитацию Министерства здравоохранения Республики Беларусь.

Величины ПДК приведены в мг на 1 л воды (мг/л). Наряду с величинами ПДК учитывают класс опасности, и лимитирующий показатель вредности по которому установлена ПДК. Лимитирующий показатель вредности учитывается при одновременном содержании нескольких веществ в воде. В случае присутствия в воде нескольких веществ 1-2 классов опасности сумма отношений фактических концентраций каждого из них (С1, С2,...,Сп) к их ПДК не должна превышать единицы:

С1/ПДК1 + С2/ПДК2 + Сп/ПДКп ? 1

Вещества разделены на четыре класса опасности:

1 класс - чрезвычайно опасные;

2 класс - высоко опасные;

3 класс - опасные;

4 класс - умеренно опасные.

В основу классификации положены показатели, характеризующие различную степень опасности для человека химических соединений, загрязняющих воду, в зависимости от токсичности, кумулятивности, способности вызывать отдаленные эффекты, лимитирующего показателя вредности.

Классы опасности веществ учитывают:

1) при выборе соединений, подлежащих первоочередному контролю в воде в качестве индикаторных веществ;

2) при установлении последовательности водоохранных мероприятий, требующих дополнительных капиталовложений;

3) при обосновании рекомендаций о замене в технологических процессах высоко опасных веществ на менее опасные;

4) при определении очередности в разработке чувствительных методов аналитического определения веществ в воде [6].

Гигиенические нормативы загрязняющих веществ представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Гигиенические нормативы загрязняющих веществ [6]

Наименование вещества	Величина ПДК (мг/л)	Лимитирующий показатель вредности	Класс опасности
Марганец	0,1	органолептический, придает воде окраску	3
Железо	0,3	органолептический, придает воде окраску	3
Азот аммонийный	2,0	санитарно-токсилогический	3
Хлориды	350	органолептический, придает воде привкус	4
Фосфор общий	0,0001	санитарно-токсилогический	1

1.2 Методы очистки сточных вод

Очистка сточных вод является вынужденным и дорогостоящим мероприятием, обусловленным тем, что в настоящее время технологические процессы на промышленных предприятиях еще недостаточно совершенны в отношении использования воды. Сегодня очистка сточных вод рассматривается как основной способ охраны вод от загрязнения.

Вода обладает чрезвычайно ценным свойством непрерывного самовозобновления под влиянием солнечной радиации и самоочищения. Оно заключается в перемешивании загрязненной воды со всей ее массой и в дальнейшем процессе минерализации органических веществ и отмирании внесенных бактерий. Агентами самоочищения являются бактерии, грибы и водоросли. Установлено, что в ходе бактериального самоочищения через

24 часа остается не более 50 % бактерий, через 96 часов - 0,5 %. Однако следует учитывать, что для обеспечения самоочищения загрязненных вод необходимо их многократное разбавление чистой водой. При сильном загрязнении самоочищения воды не происходит. В этих случаях необходимы специальные методы и средства для улучшения качества воды, очистки загрязнений, поступающих со сточными водами.

Основные способы улучшения качества воды для хозяйственно-питьевых целей - осветление, обесцвечивание и обеззараживание.

Осветление воды - удаление из нее взвешенных веществ. В зависимости от требуемой степени осветления применяют: отстаивание воды в отстойниках, в гидроциклонах, осветление воды, пропуская ее через слой ранее образованного взвешенного осадка, в осветлителях со взвешенным осадком, фильтрование воды через слой зернистого или порошкообразного фильтрующего материала в фильтрах или фильтрование через ткани и сетки.

Обесцвечивание воды - устранение или обесцвечивание различных окрашенных коллоидов или истинно растворенных веществ. Для этого воду подвергают коагулированию, используют различные окислители (хлор, перманганат калия, озон) и сорбенты (активный уголь).

Обеззараживание воды проводят для уничтожения содержащихся в ней болезнетворных бактерий и вирусов. Применяют чаще всего хлорирование воды, бактерицидное облучение, озонирование и другие способы обеззараживания. Используют и специальные способы обработки как хозяйственно-питьевой, так и производственной воды, такие, как дезодорация - удаление привкусов и запахов. При высоком содержании в воде железа или фтора может потребоваться обезжелезивание. Нередко с обезжелезиванием воды проводят удаление марганца [12, 13].

Очистных сооружений на ливневую канализацию в городе Гомеле нет.

Методы очистки сточных вод в искусственных условиях многообразны, но они могут быть подразделены на четыре основных вида: механическую, химическую, физико-химическую и биохимическую очистку.

Использование физико-химических методов для очистки сточных вод по сравнению с биохимическими имеет ряд преимуществ:

1) возможность удаления из сточных вод токсичных, биохимически неокисляемых органических загрязнений;

2) достижение более глубокой и стабильной степени очистки;

3) меньшие размеры сооружений;

4) меньшая чувствительность к изменениям нагрузок;

5) возможность полной автоматизации;

6) более глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппаратуры;

7) методы не связаны с контролем за деятельностью живых организмов;

8) возможность рекуперации различных веществ.

Выбор того или иного метода очистки производят с учетом санитарных и технологических требований, предъявляемых к очищенным производственным сточным водам с целью дальнейшего их использования, а также с учетом количества сточных вод и концентрации загрязнений в них, наличия необходимых материальных и энергетических ресурсов и экономичности процесса [14].

1.2.1 Коагуляция

Коагуляция - процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке сточных вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, т.е. частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов. В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их. Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение.

Для очистки производственных сточных вод применяют различные минеральные коагулянты: соли алюминия, железа, магния, известь, отработанные растворы отдельных производств.

Вместо коагулянтов можно применять водные растворы полимеров, в молекуле которых содержаться полярные функциональные группы (-ОН,

-SO3H, -NH2). Их называют флокулянтами, а метод очистки - флокуляцией. Флокуляция - вид коагуляции, при которой частицы, содержащиеся в сточной воде, образуют рыхлые хлопьевидные агрегаты (флокулы).

Коагуляцию можно осуществить также, пропуская сточные воды через электролизер с анодом, изготовленным из алюминия или железа. Металл анода под действием постоянного тока переходит в сточную воду, образуя труднорастворимые гидроксиды алюминия или железа, которые вызывают коагуляцию частиц сточной воды. Метод электрохимического коагулирования может быть применен для обработки сточных вод, содержащих эмульгированные частицы масел, жиров и нефтепродуктов, хроматы, фосфаты. Эффективность очистки достигает 99 % [15, 16].

1.2.2 Адсорбция

Адсорбционные методы широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биохимической очистки, а также в локальных установках, если концентрация этих веществ в воде невелика и они биологически не разлагаются или являются сильнотоксичными. Применение локальных установок целесообразно, если вещество хорошо адсорбируется при небольшом удельном расходе адсорбента.

Адсорбционная очистка вод может быть регенеративной, т.е. с извлечением вещества из адсорбента и его утилизацией, и деструктивной, при которой извлеченные из сточных вод вещества уничтожаются вместе с адсорбентом. Эффективность адсорбционной очистки достигает 80 - 95 % и зависит от химической природы адсорбента, величины адсорбционной поверхности и ее доступности, от химического строения вещества и его состояния в растворе.

В качестве сорбентов используются активные угли, синтетические сорбенты и некоторые отходы производства (золу, шлаки, опилки и др.).

Скорость процесса адсорбции зависит от концентрации, природы и структуры растворенных веществ, температуры воды, вида и свойств адсорбента.

В общем случае процесс адсорбции складывается из трех стадий [15, 16]: переноса веществ из сточной воды к поверхности зерен адсорбента (внешне диффузионная область), собственно адсорбционный процесс, перенос вещества внутри зерен адсорбента (внутри диффузионная область).

1.2.3 Химические методы очистки сточных вод

Нейтрализация.Сточные воды, содержащие минеральные кислоты или щелочи, перед сбросом их в водоемы или перед использованием в технологических процессах нейтрализуют. Практически нейтральными считаются воды, имеющие рН=6,5-8,5.

Нейтрализацию можно проводить различным путем: смешением кислых и щелочных вод, добавлением реагентов, фильтрованием кислых вод через нейтрализующие материалы, абсорбцией кислых газов щелочными водами или абсорбцией аммиака кислыми водами. Выбор метода нейтрализации зависит от объема и концентрации сточных вод, от режима их поступления, наличия и стоимости реагентов. В процессе нейтрализации могут образовываться осадки, количество которых зависит от концентрации и состава сточных вод, а также от вида и расхода используемых реагентов.

Нейтрализация путем добавления реагентов. Для нейтрализации кислых вод могут быть использованы: NaOH, KOH, Na2CO3, NH4OH (аммиачная вода), СаСО3, МgCO3, доломит (CaCO3*MgCO3), цемент. Однако наиболее дешевым реагентом является гидроксид кальция (известковое молоко) с содержанием активной извести Са(ОН)2 5-10 %. Соду и гидроксид натрия следует использовать, если они являются отходами производства.

Нейтрализация кислыми газами. Для нейтрализации щелочных сточных вод в последнее время начинают использовать отходящие газы, содержащие СО2, SO2, NO2, N2O3 и другие. Применение кислых газов позволяет не только нейтрализовать сточные воды, но и одновременно производить высокоэффективную очистку самих газов от вредных компонентов.

Нейтрализация щелочных вод дымовыми газами является примером ресурсосберегающей технологии, позволяющей исключить использование кислот, создать бессточную схему водопотребления. При этом ликвидируется сброс сточных вод, сокращается потребление свежей воды, а также очищаются дымовые газы от кислых компонентов (СО2, SО2 и др.) и пыли.

Озонирование. Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранение привкусов и запахов и обеззараживание. Озонированием можно очищать сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, пестицидов и др.

Озон подают в сточную воду в виде озоно-воздушной или озоно-кислородной смеси. Концентрация озона в смеси около 3 %. Озонирование представляет собой процесс абсорбции, сопровождаемый химической реакцией в жидкой фазе.

Процесс очистки сточных вод значительно сокращается при совместном использовании ультрозвука и озона, ультрофиолетового облучения и озона. Ультрофиолетовое облучение ускоряет окисление в 102 --104 раз.

Удаление ионов тяжелых металлов. Во многих отраслях промышленности перерабатывают или применяют различные соединения ртути, хрома, кадмия, цинка, свинца, меди, никеля, мышьяка и другие вещества, что ведет к загрязнению ими сточных вод.

Для удаления этих веществ из сточных вод в настоящее время наиболее распространены реагентные методы очистки, сущность которых заключается в переводе растворимых в воде веществ в нерастворимые при добавлении различных реагентов с последующим отделением их от воды в виде осадков.

Недостатком реагентных методов очистки является безвозвратная потеря ценных веществ с осадками.

В качестве реагентов для удаления из сточных вод ионов тяжелых металлов используют гидроксиды кальция и натрия, карбонат натрия, сульфиды натрия, различные отходы (феррохромовый шлак). Наиболее широко используется гидроксид кальция. Осаждение металлов происходит в виде гидроксидов. Процесс проводится при различных значениях рН.

Значения рН, соответствующие началу осаждения гидроксидов различных металлов и полному осаждению зависят от природы металлов, концентрации их в растворе, температуры, содержания примесей.

Очистка от солей железа. В природных водах содержание железа колеблется от 0,01 до 26 мг/л3 . Кроме того, железо содержится в сточных водах химических, металлургических, машиностроительных, нефтехимических, металлообрабатывающих, текстильных, химико-фармацевтических и других производств. При содержании железа более 1 мг/л вода приобретает бурый цвет. При движении такой воды по трубопроводам на их стенках откладываются соединения железа и железобактерии, уменьшая сечение трубопровода.

В водоемах ПДК солей железа в пересчете на Fe2+ равняется 0,5 мг/л. В то же время, в некоторых производствах технологическая вода и вода, находящаяся в обороте, не должна содержать соединений железа более

0,05 мг/л, например в производстве капрона, нейлона, целлофана, натурального и вискозного шелка, кинопленки, электроники, полупроводников и др. Для указанных производств требуется глубокая очистка природных сточных вод от соединений железа.

Для обезжелезивания вод применяют аэрацию, реагентные методы, электродиализ, адсорбцию, обратный осмос.

В процессе аэрирования происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное. Реакция окисления в водном растворе протекает по схеме

4Fe2++O2+2H2O=4Fe3++4OH--;Fe3++3H2O=Fe(OH)3+3H+

или суммарно 4Fe2++O2+10H2O= Fe(OH)3+8H+.

В присутствии гидрокарбонатных ионов в воде окисление двухвалентного железа и гидролиз трехвалентного железа протекает по реакции 4Fe2++8HCO3--+2H2O=4Fe(OH)3+8CO2.

На окисление 1 мг двухвалентного железа расходуется 0,143 мг кислорода. Для обеспечения высокой скорости химической реакции содержание кислорода в воде должно быть 0,5-0,9 мг на 1 мг железа.

После аэрирования необходимо отделить осадок гидроксида железа. Для этой цели используют процессы отстаивания и фильтрования.

При высоком содержании железа в воде аэрационным методом его полностью удалить нельзя, поэтому применяют реагентные методы. Для этой цели используют хлор, хлорат кальция (хлорную известь), перманганат калия, озон, оксид кальция (известь), карбонат натрия (соду) и др.

При взаимодействии с хлором протекает следующая реакция:

Fe(HCO3)2+Cl2+Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3+CaCl2+6CO2.

Скорость этой реакции увеличивается с повышением рН. На окисление

1 мг двухвалентного железа расходуется 0,64 мг Cl2 . В случае использования хлората кальция его используют в виде 1-2 % раствора, который дозируют непосредственно в сточную воду.

Если железо содержится в воде в виде органических соединений или коллоидных частиц, применяют озонирование. При этом на 1 масс. ч. железа требуется 1 масс. ч. озона.

Очистка от соединений марганца.Соединения марганца содержатся в сточной воде металлургических, машиностроительных и химических производств. При концентрации марганца более 0,05 мг/л вода окрашивается в темный цвет. Удаление из воды марганца может быть достигнуто следующими методами: 1) обработкой воды перманганатом калия; 2) аэрацией, совмещенной с известкованием; 3) фильтрованием воды через марганцевый песок или марганцевый катионит; 4) окисление озоном, хлором или диоксидом хлора.

Наиболее эффективным является метод обработки перманганатом калия. Он не требует сложного оборудования и просто контролируется. При обработке воды перманганатом калия достигается одновременная очистка от марганца и от железа [14, 17].

1.2.4 Механическая очистка

Механическая очистка применяется [12], прежде всего, для отделения твердых и взвешенных веществ.

Процеживание - первичная стадия очистки сточных вод - вода пропускается через специальные металлические решетки с шагом 5-25 мм, установленные наклонно. Периодически они очищаются от осадка с помощью специальных поворотных приспособлений.

Отстаивание происходит в специальных емкостях, которые по направлению движения воды делят на горизонтальные, вертикальные, радиальные и комбинированные. Общими для них являются выход очищенной воды в верхней части отстойника и гравитационный принцип осаждения частиц, которые собираются внизу. Разновидностью отстойника являются песколовки.

Инерционное разделение осуществляется в гидроциклонах. Различают открытые и напорные гидроциклоны. Обладают большой производительностью, но проигрывают в эффективности очистки (особенно мелких частиц).

Фильтрование осуществляется чаще всего через пористые связанные или несвязанные материалы. Как правило, фильтры очищают воду от тонкодисперсных примесей даже при небольших концентрациях. Фильтроматериалы достаточно разнообразны: кварцевый песок, гравий, антрацит, частички металлов и др. Песчаные фильтры - основные очистители при водоподготовке.

1.3 Физико-химические методы анализа сточных вод

1.3.1 Водородный показатель рН

В большинстве природных вод концентрация водородных ионов обусловлена лишь отношением концентраций свободной двуокиси углерода и бикарбонат-ионов. В этих случаях рН колеблется от 4,5 до 8,3. На величину рН может оказать влияние повышенное содержание гуминовых веществ, основных карбонатов и гидроокисей, возникающих вследствие поглощения СО2 в процессе фотосинтеза, а в отдельных случаях -- также и повышенное содержание солей, подверженных гидролизу, и прочие. В сточных и загрязненных поверхностных водах, кроме того, могут содержаться и сильные кислоты и основания.

В результате происходящих в воде реакций рН часто может изменяться, поэтому рекомендуется проводить определение немедленно после отбора пробы. Если это невыполнимо, следует доставлять пробу к месту анализа в особой бутылке (полимер или стекло), предохраняя ее от нагревания. Обработку следует проводить лишь в кратчайший срок.

Результаты определений выражаются в рН и лишь в исключительных случаях -- в миллиграмм-эквивалентах водородных или гидроксильных ионов в 1 литре.

Электрометрическое определение рН.

Электрометрическое определение рН со стеклянным электродом основано на том, что изменение значения рН на единицу в определенной области рН вызывает изменение потенциала электрода на 58,1 мв при 20С. Пределы линейной зависимости потенциала электрода от рН обусловлены свойствами стеклянного электрода.

Мешающие влияния. Результат определения зависит от температуры пробы. Влияние температуры компенсируется специальным устройством, вмонтированным в прибор. Если такой прибор отсутствует, то пробу можно нагреть или охладить до требуемой температуры (20 С).

Электрометрическому измерению не мешают: окраска, мутность, взвесь, свободный хлор, присутствие окисляющих или восстанавливающих веществ или повышенное содержание солей в пробе.

Некоторые помехи возникают при повышенном содержании солей натрия и при рН больше 10. В таких случаях необходимо пользоваться специальным электродом или же вводить поправки, указанные в инструкции, приложенной к электроду.

Точность электрометрического определения снижается при пользовании загрязненными электродами. Для обезжиривания электрода пользуются куском тонкой материи, смоченной эфиром или раствором моющего средства. Затем несколько раз промывают электрод дистиллированной водой и вытирают его каждый раз для удаления обезжиривающего вещества. При необходимости электрод регенерируют, погружая его на 2 ч. в 2 %-ный раствор соляной кислоты, и тщательно промывают дистиллированной водой. В нерабочее время электрод следует хранить в дистиллированной воде [18].

1.3.2 Железо общее

В некоторых сточных водах железо встречается в больших концентрациях, например в сточных водах травильных цехов, производства солей железа, иногда в сточных водах цехов крашения тканей и т.д. В больших концентрациях железо может содержаться также и в шахтных водах. В профильтрованных природных поверхностных водах концентрация железа редко достигает 1 мг/дм3.

Железо в водах может быть во многих формах: в истинно растворенном состоянии и в виде коллоидного раствора вследствие пептизации гидроксида железа органическими веществами; в виде комплексных соединений с неорганическими и органическими лигандами, в различных суспендированных в воде твердых частицах. Наконец оно может быть в трехвалентном и в двухвалентном состояниях. При рН 3,5 железо () может быть в одной фазе только в виде комплекса, а при рН 8 не может существовать в растворе в виде свободных ионов, несвязанных в комплекс, и железо (). Надо также учитывать то, что в воде, содержащей кислород, железо () легко переходит в железо () и осаждается в виде гидроксида. Железо () достаточно устойчиво в водном растворе только в сильнокислой среде.

Таким образом точные результаты могут быть получены только при определении суммарного содержания железа во всех его формах. Раздельное определение растворенного и нерастворенного железа, а также железа () и железа () дает менее достоверные результаты.

Фотометрический метод с сульфосалицилатом натрия [19].

Сущность метода. Метод основан на том, что сульфосалициловая кислота или ее натриевая соль образуют с солями железа окрашенные комплексные соединения, причем в слабокислой среде сульфосалициловая кислота реагирует только с солями железа () (красное окрашивание), а в слабощелочной среде -- с солями железа () и () (желтое окрашивание).

1.3.3 Марганец

Фотометрический метод

Сущность метода. Метод основан на количественном окислении ионов марганца () до перманганат-ионов в азотнокислой среде действием персульфата аммония в присутствии катализатора -- ионов серебра.

Оптическую плотность полученного красно-фиолетового раствора измеряют при = 525 нм, =24103.

Метод дает возможность определять марганец в концентрациях от 0,05 до 5 мг/л. При большей или меньшей концентрации марганца в пробе ее соответственно предварительно упаривают или разбавляют.

Мешающие вещества. Мешают определению органические вещества при большой их концентрации ( ХПК превышает 16 мг/л), хлорид-ионы и железо, если его концентрация превышает 5 мг/л. Для устранения мешающего действия хлорид-ионов, если концентрация их не превышает 300 мг/л, предлагается вводить раствор соли ртути (), образующей с хлорид-ионами мало диссоциированное соединение.

При более высоком содержании хлорид-ионов, а также при высоком содержании органических веществ проводят предварительную обработку азотной и серной кислотами. При меньшем содержании органических веществ можно ограничиться кипячением пробы

5 -10 мин с добавлением 10 мл концентрированной азотной кислоты на 100 мл.

Мешающее влияние железа устраняют добавлением 1 мл концентрированной фосфорной кислоты в пробу до окисления персульфатом [20].

1.3.4 Аммонийные ионы и аммиак

Анализируемую сточную воду приводят к рН=7,4, прибавляя соответствующую фосфатную буферную смесь, и отгоняют аммиак, присутствовавший в этой воде, как в свободном виде, так и в виде ионов аммония. В приемник помещают раствор борной кислоты и по окончании отгонки аммиака отгон титруют 0,02 н раствором серной кислоты, проводят колориметрическое определение.

Применение сильной щелочи для отгонки аммиака недопустимо при анализе вод, содержащих белковые или другие вещества, разлагающиеся в этих условиях с выделением аммиака. При анализе сточных вод, содержащих относительно большие количества фенолов, требуется более сильное подщелачивание для связывания фенолов, что достигается прибавлением едкой щелочи.

В водах, подвергавшихся обработке хлором или гипохлоритом, наряду с ионами аммония могут присутствовать хлор-амины. Их следует восстановить до ионов аммония и хлорид-ионов добавлением тиосульфата или арсенита и, определив отдельно, пересчитать на NН4+ и вычесть из результата определения аммонийных ионов.

Мешают определению сульфид-ионы. При их присутствии в пробу перед отгонкой вводят немного карбоната свинца.

Колориметрическому определению мешают алифатические и ароматические амины, ацетон, альдегиды и спирты. Они вызывают появление желтоватых или зеленоватых окрасок или же образование мути. Все нейтральные летучие соединения, мешающие определению, надо предварительно удалить подкислением анализируемой воды и отгонкой [21].

1.3.5 Фосфаты

В сточных водах, как и в природных водах, фосфор может присутствовать в различных видах. В жидкой фазе анализируемой воды он может быть в виде ортофосфорной кислоты и ее ионов (Н3РО4, Н2РО4-, НРО42-, РО43-), в виде мета-, пиро- и полифосфатов (эти вещества используют для предупреждения образования накипи, они входят в состав многих моющих средств в смеси с синтетическими поверхностно-активными веществами) и в виде разнообразных фосфоросодержащих органических соединений (нуклеиновые кислоты, нуклеопротеиды, фосфолипиды и др.).

В твердой фазе сточной воды фосфор может быть в виде различных труднорастворимых фосфатов, включая природные минералы, и в виде многих других фосфорсодержащих органических веществ. Все виды фосфора надо определять по возможности непосредственно после отбора пробы. Часть пробы фильтруют, желательно через самый плотный мембранный фильтр, в крайнем случае через плотный бумажный фильтр, и в фильтрате определяют содержание растворимых форм фосфора. Другую часть пробы гомогенизируют и находят в ней суммарное содержание всех форм фосфора - «общий фосфор». В некоторых случаях особенно при большом содержании органических веществ, находят «общий фосфор» в профильтрованной части пробы, в ее жидкой фазе. Биохимические процессы в пробе можно приостановить прибавлением 2 -4 мл хлороформа на 1 л пробы. Консервирование пробы подкислением недопустимо.

Фотометрический метод определения растворенных ортофосфатов [20].

Сущность метода. При взаимодействии ортофосфат-ионов с молибдатом в кислой среде образуется желтая гетерополикислота, которая под действием восстановителей превращается в интенсивно окрашенное синее соединение. Были предложены различные восстановители, но из них наиболее устойчивые, постоянные по составу продукты реакции дает лишь аскорбиновая кислота. Однако восстановление аскорбиновой кислотой, сравнительно слабым восстановителем, происходит только при повышенной температуре, т.е. в условиях, когда полифосфаты и органические эфиры фосфорной кислоты гидролизуются с образованием ортофосфорной кислоты, поэтому результаты получаются повышенными. Введение в раствор соли сурьмы в соотношении

Sb : P = 1:1. Реакция тогда происходит быстро и при комнатной температуре, повышается интенсивность окраски, а полифосфаты и сложные эфиры фосфорной кислоты в этих условиях в реакцию не вступают, результаты показывают лишь содержание ортофосфат-ионов в пробе.

Оптическую плотность измеряют при л=880 нм или, если это невозможно, при наибольшей длине волны, которую допускает использовать применяемый фотометр.

Мешающие вещества. Сильнокислые и сильнощелочные пробы предварительно нейтрализуют. Определению мешают сульфиды и сероводород в концентрациях, превышающих 3 мг/л S2- . Мешающее влияние можно устранить, прибавляя несколько миллиграммов KMnO4 на 100 мл пробы и встряхивая 1-2 мин; раствор должен оставаться розовым. Затем прибавляют требуемые для определения реактивы, но в обратном порядке: сначала приливают раствор молибдата. В предлагаемом варианте метода такой измененный порядок прибавления реактивов на результате не отражается.Определению мешают также хроматы в концентрациях, превышающих 2 мг/л CrO42-. Это мешающее влияние также устраняется прибавлением реактивов в обратном порядке, как и в предыдущем случае. Мешают определению арсенаты. Обычно в водах арсенаты отсутствуют или находятся в количествах, значительно меньших, чем фосфаты, и содержанием их можно пренебречь. В противном случае надо определять отдельно и вычесть полученный результат из результата определения фосфатов. Мешающее влияние нитритов устраняют сульфаминовой кислотой, которую вводят в состав применяемого реактива. При большом содержании железа следует ввести эквивалентное количество ЭДТА.

1.3.6 Хлориды

Меркуриметрический метод [20, 21].

Сущность метода. Хлорид-ионы образуют с ионами ртути (II) чрезвычайно мало диссоциированный хлорид ртути (II):

Hg2+ + 2Cl- > HgCl2

В качестве индикатора применяют дифенилкарбазон, который в конце титрования образует с избыточными ионами ртути (II) окрашенное в фиолетовый цвет комплексное соединение. Титрование проводят в азотнокислой среде при рН=2,5±0,1.

Прямым титрованием можно определять хлорид-ионы в концентрациях от 5 до 100 мг/л. При концентрациях ниже 10 мг/л все же рекомендуется предварительное упаривание пробы, при концентрациях выше 100 мг/л - разбавление.

Резкость перехода окраски индикатора в значительной мере зависит от соблюдения правильного значения рН раствора. При рН=2,0 индикатор не окрашивается, при рН=3,0 появление окраски запаздывает.

Мешающие вещества. Вместе с хлоридами титруются бромиды и иодиды. Их можно определить отдельно соответствующими методами и содержание их вычесть из результатов титрования. Сульфит-, тиосульфат-, сульфид-, роданид- и цианид-ионы, мешающие определению, следует предварительно окислить кипячением с пероксидом водорода в щелочной среде. Органические вещества в большой концентрации мешают определению. Их следует предварительно удалить или окислить перманганатом калия в щелочной среде с последующим восстановлением пероксидом водорода и отфильтровыванием осадка водного диоксида марганца. Мешает железо (III) в концентрациях, превышающих 10 мг/л; его следует связать добавлением нескольких капель 5%-ного раствора фосфата натрия. Мешают ионы цинка, свинца, алюминия, никеля и хрома (III) в концентрациях, превышающих 100 мг/л, а хромат ионы в концентрациях выше 2 мг/л.

2. Объект, программа и методика исследований

Объектом исследований являются ливневые сточные воды в коллекторах Прудковский, Хатаевичский, Киевский спуск, Новый мост, Лещинский.

Предметом исследований качественный состав ливневых сточных вод, отводимых выше указанными коллекторами в реку Сож.

Программа исследований включала в себя следующие задачи:

1) теоретическое изучение проблемы по литературным источникам и ознакомление с методикой исследований;

2) проведение плановых экспериментальных исследований по определению неорганических показателей качества воды;

3) математическая обработка данных и оценка качества ливневых сточных вод;

5) оформление дипломной работы.

Исследования проводились в период 2010?2011 гг. в г. Гомеле.

Полученные результаты были статистически обработаны с помощью общепринятых методов с помощью пакетов прикладных программ Statistica 6 и MS Excel [22].

2.1 Общая характеристика городской застройки и ливневой канализации

Город Гомель расположен на юго-востоке Республики Беларусь. Площадь города составляет 11,3 тыс. км2. Население - 498,7 тыс. человек (по данным на 01.01.2010 г.). В городе 4 административных района: Железнодорожный, Новобелицкий, Советский и Центральный.

Застройка территории города относительно дождевой канализации не однородна. В кварталах старой застройки, как правило, организованный сток дождевых вод отсутствует. Поверхностный сток по спланированной территории отводится на улицы и проезды и далее в водостоки либо в сеть дождевой канализации. Новая жилая застройка имеет сеть дождевой канализации, оборудованной дождеприемниками внутри кварталов и микрорайонов.

Для городской застройки г. Гомеля характерно преобладание техногенных и техногенно-природных ландшафтов, что уменьшает самоочистительную способность природного комплекса на территории города.

Промышленные предприятия, как правило, имеют сеть дождевой канализациии на своих промплощадках с подключением ее к общегородским сетям и магистральным коллекторам.

Общая протяженность сетей дождевой канализации г. Гомеля составляет 274,7 км, из которых чуть более 230 км - сети дождевой канализации, находящиеся на балансе КАУП «ГорСАП», а 45,3 км - сети дождевой канализации на балансе предприятий и ведомств (по данным БТИ).

В настоящее время сеть ливневой канализации Гомеля имеет 21 выпуск в бассейне реки Сож, 19 из которых контролируется КАУП по содержанию дорог «ГорСАП». В зависимости от места выпусков все коллектора дифференцированы по 4 группам:

Выпуски в р. Сож - 12 коллекторов: Прудковский, Хатаевичский, Речной порт, ул. Билецкого, Киевский спуск, Лебяжье озеро, Лесной склад «Монастырек», Лещинский, ул. Международная - 11 Июля, Новый мост, 5а - 5-ый микрорайон, ул. Ченковская - Зайцева.

Выпуски в р. Уза - 1 коллектор: Мильчанский.

Выпуски в озеро Шапор - 1 коллектор: ФСК.

Выпуски в болото - 2 коллектора: ул. Дорожная, Областная больница.

Выпуски в мелиоративные канавы, не достигающие речной сети -

3 коллектора: ул. 8-я Техническая, Кристалл, АвтоВАЗ.

Наиболее крупными выпусками дождевой канализации являются

3 коллектора: Мильчанский, Прудковский и Хатаевичский.

Поверхностные воды г. Гомеля представлены более чем 30 водными объектами: реками, озерами, прудами. Крупнейшим водным объектом на территории города является р. Сож, левый приток Днепра. В восточной части города в р. Сож впадает левый приток - р. Ипуть. В пределах пригородной зоны Гомеля в 5 км к югу от города справа в р. Сож впадает р. Уза.

В пойме р. Сож в пределах городской черты расположено несколько старичных озер. В северо-восточной части города на протоке Волотова выделяются 2 старичных озера (площадь 22 и 18 га), к западу от них расположено озеро Дедно. В южной части, с правого берега Сожа, протянулось длинное Любенское озеро (площадь 14 га), на левобережье находятся 2 не совсем отчленившихся от русла Сожа старицы, которые называются так же, как и рядом расположенное озеро Шапор.

В пределах городской черты расположены многочисленные пруды. В возвышенной правобережной части города они образовались в карьерах, возникших в результате выемки сырья для кирпичных заводов, в пойменной части - на местах добычи песка для сооружения оснований под жилые и общественно-культурные здания (жилой массив Волотова, микрорайоны в юго-западной части города). В Гомельском парке находится старейший в Гомеле пруд «Лебяжье озеро».

На территории города значительное количество каналов и канав. Крупнейшим каналом является Гребной канал, образовавшийся при добыче песка и гравия в пойме Сожа. В настоящее время Гребной канал используется для занятий спортивной греблей. Крупнейшие канавы - Мильчанская, Лещинская. На территории города существует развитая сеть мелиоративных каналов. В настоящее время эти гидротехнические сооружения являются элементами сети дождевой канализации.

Река Сож является самым крупным водотоком на территории г. Гомеля. Сож делит город на возвышенную правобережную и низменную левобережную (Новобелицкий район) части.