Круговорот воды. Очистка сточных вод
Министерство общего и
профессионального образования Российской Федерации
Московский институт коммунального
хозяйства и строительства
Кафедра коммунальной экологии
Круговорот воды. Очистка сточных вод
Москва 2009
Содержание
1. Вода
1.1 Физическое состояние воды
1.2 Испарение, конденсация и очистка воды
2. Круговорот воды
2.1 Вода в атмосфере
2.2 Осадки
.3 Вода на поверхности и в глубине земли
3. Зависимость человека от круговорота воды и его
влияние на этот процесс
4. Стандартная
очистка сточных вод
4.1 Первичные
стоки
.2 Этапы
очистки
.2.1
Предочистка
.2.2
Первичная очистка
.2.3
Вторичная очистка
.2.4
Доочистка
.2.5
Дезинфекция
Словарь
терминов
1. Вода
Без воды жизнь существовать не может. На земле её очень много, около 70%
поверхности покрыто морями и океанами, но это вода - солёная. Все основные
наземные экосистемы, включая и человеческую, зависят от наличия пресной
воды, содержащей менее 0,01% солей. Её гораздо меньше - менее 1% всего мирового
запаса воды, причём растущее человечество растрачивает и загрязняет это
бесценное богатство.
1.1 Физическое состояние воды
Вся вода на Земле непрерывно перечищается и совершает круговорот. Что бы
понять это, обратимся сначала к некоторым физико-химическим свойствам воды.
Нам знакомы три физических состояния воды: твёрдое (лёд), жидкое
(собственно вода), и газообразное (водяной пар). Все они - результат различных
взаимодействий между молекулами воды (H2O). На них действует две силы. Одна -
слабое взаимное притяжение, называемое водородной связью, которое
возникает из-за того, что атом водорода одной молекулы притягивается атомом
кислорода другой молекулы. Водородная связь удерживает молекулы воды вместе.
Вторая сила обусловлена кинетической энергией колебательного движения,
присущего всем атомам и молекулам. Кинетическая энергия стремиться разъединить
молекулы воды.
Кинетическая энергия увеличивается с температурой, разрывая водородные
связи; вода переходит в другое состояние.
Насколько прочно молекулы воды удерживаются вместе (а, следовательно, и
физическое состояние воды), зависит от соотношения между водородной связью и
кинетической энергией молекул рис. 1. Водородная связь постоянна по силе, а
кинетическая энергия зависит от температуры: чем теплее, тем она выше.
Лёд Вода Водяной
пар
оС 100оС
Рис. 1
При температуре ниже точки замерзания (0оС) кинетическая
энергия молекул по сравнению с водородной связью низка, поэтому молекулы
замерзают на месте в определённом порядке. Получается лёд. При повышении
температуры увеличивающаяся кинетическая энергия буквально расшатывает эту
структуру: происходит оттаивание. Однако, если водородная связь разрушается в
одном месте, в другом она возникает. Молекулы как бы «скользят» друг по другу,
но удерживаются вместе. Это - жидкое состояние воды.
Наконец при температуре кипения (100оС) кинетической энергии
достаточно для разрыва водородных связей, и молекулы оказываются в воздухе в
свободном (несвязном) виде. Этот процесс называется испарением. Молекулы
воды в воздухе - это водяной пар, а его количество измеряется как влажность.
При комнатной температуре кинетическая энергия позволяет водородным
связям (пунктирные линии) рваться и образовываться вновь; это жидкое состояние.
По мере охлаждения воды её молекулы теряют энергию и прочно соединяются;
образуется лёд. При нагревании молекулы получают достаточно энергии для того,
чтобы полностью преодолеть слабое взаимное притяжение; получается водяной пар.
Если его охладить, притяжение между молекулами вновь удерживает их вместе; в
результате вновь образуется вода, т.е. происходит конденсация. При всех этих
изменениях физического состояния сами молекулы остаются одинаковыми: H2O
Рис. 2 Физическое состояние воды
Все описанные процессы обратимы. Конденсация - явление,
противоположное испарению. Когда температура и соответственно кинетическая
энергия понижаются, молекулы воды в составе пара, встречаются друг с другом,
объединяются водородной связью. Если температура достаточно низка, водяной пар
может перейти непосредственно в твёрдое (кристаллическое) состояние. Так
образуется иней в природе или холодильнике.
Эти изменения в физическом состоянии воды лежат в основе её круговорота
на Земле. Водяной пар постоянно поступает в атмосферу при испарении, а затем
возвращается на землю в результате конденсации и выпадения осадков.
1.2 Испарение, конденсация и
очистка воды
Испарение и конденсация воды лежат в основе важного процесса её очистки,
называемого дистилляцией или перегонкой. При испарении в воздух
поднимаются только молекулы воды, а соли и другие растворённые вещества
остаются на месте (за исключением растворённых газов и летучих жидкостей типа
спирта). Когда водяной пар конденсируется, из него образуется только вода.
Таким образом, земля и её атмосфера работают как гигантский опреснитель. Вода
из солёных морей и других источников постоянно испаряется, в результате
очищаясь, конденсируется в атмосфере и попадает на землю опресненной. Вся
пресная вода на земле образуется этим способом.
Люди могут очищать воду дистилляцией или другими способами. Но дело
упирается в экономику. Энергетические затраты на дистилляцию, например, так
высоки, что производство больших объёмов дистиллированной воды было бы
расточительно.
2. Круговорот воды
Круговорот воды на Земле, называемый также гидрологическим циклом,
изображён на рис. 3. В общих чертах он включает поступление воды в атмосферу
при испарении и возвращении её назад в результате конденсации и выпадения
осадков.
Рис. 3 Круговорот воды
Вся вода на Земле постоянно рециклизуется путём испарения или
транспирации, конденсации и выпадения в виде осадков.
2.1 Вода в атмосфере
Испарение идёт с поверхности океанов, озёр, рек, почвы и других влажных
поверхностей. Большое количество воды поступает в атмосферу при транспирации
растениями. Сочетание испарения и транспирации называют эвапотранспирацией.
Водяной пар в воздухе обычно определяют (и ощущают) как влажность.
Максимальная возможная влажность воздуха изменяется в зависимости о
температуры, поэтому обычно измеряют относительную влажность, т.е.
количество пара по сравнению с его максимальным количеством, которое может
содержаться в воздухе при данной температуре; эту величину выражают в
процентах.
Чем теплее воздух, тем легче он вбирает в себя влагу и тем больше
водяного пара удерживает. Именно поэтому Вы используете горячий воздух, чтобы
посушить волосы. И напротив, чем холоднее воздух, тем меньше он может содержать
влаги. Когда воздух максимально насыщенный водяным паром, остужают, вода
конденсируется: её молекулы объединяются в капельки. Легче всего это происходит
на твёрдых поверхностях: так «запотевает» холодное стекло и образуется роса на
траве. В атмосфере вода конденсируется на частичках пыли, в результате чего
образуется туман и облака. Когда эти капли или кристаллики льда (если
температура ниже нуля) становятся достаточно крупными, идёт дождь или снег.
Рис. 4.
Рис. 4. При неизменном количестве воды в воздухе относительная влажность
увеличивается, когда температура падает
Если воздух охлаждается до температуры ниже точки водонасыщения (100%),
происходит конденсация и выпадают осадки. При нагревании его относительная
влажность падает.
2.2 Осадки
Распределение осадков по Земле - от почти нуля в одних регионах до 3 м. и
более в других - в основном зависит от движения холодного воздуха в атмосфере.
Когда воздух поднимется, он остывает. Поэтому наибольшее количество
осадков обычно выпадает под восходящими воздушными потоками. И напротив,
опускаясь или оставаясь на месте, воздух нагревается. Поэтому там, где
преобладают нисходящие воздушные потоки или воздушная масса неподвижна, осадков
выпадает меньше всего. Когда воздушные массы то поднимаются, то опускаются,
осадки выпадают прерывисто и неравномерно. Однако существует две ситуации, при
которых образуются более или менее постоянные восходящие (много осадков) и
нисходящие (мало осадков) потоки воздуха.
Во-первых, солнце наиболее интенсивно нагревает землю в экваториальных
районах, где лучи падают на горизонтальную поверхность под углом максимально
приближающимся к прямому. В свою очередь от тёплой земли нагревается воздух,
который при этом расширяется и поднимается вверх. Восходящие потоки остывают,
поскольку низкое давление в верхних слоях атмосферы способствуют дальнейшему
расширению воздуха, отдающего тепло и в космическое пространство. В конце
концов, остывший воздух перестаёт удерживать находящийся в нём водяной пар, и в
результате выпадает дождь. Таким образом, в экваториальных районах постоянно
выпадает большое количество осадков. Но воздух, поднимающийся над экватором,
должен рано или поздно опуститься вниз. Это происходит в субэкваториальных
регионах (на 250-300 севернее и южнее экватора), в результате
чего там образуются пустыни (рис. 5), в частности африканская Сахара.
Рис. 5 Экваториальные дождевые леса и субэкваториальные пустыни
Солнечная радиация максимально нагревает землю в экваториальных областях,
в результате чего образуется восходящие потоки влажного воздуха. Когда он,
поднимаясь, остывает, здесь выпадают обильные осадки, обеспечивающие влагой
дождевые тропические леса. Затем воздух опускается в субэкваториальных
областях. При этом он становится теплее и его относительная влажность падает,
что приводит к образованию субэкваториальных пустынь
Вторая ситуация складывается там, где пассаты (ветры, почти непрерывно
дующие в одном направлении) наталкиваются на горные хребты. При этом влажный
воздух устремляется вверх и охлаждается, что приводит к обильным осадкам на
наветренных склонах. Однако, когда поток воздуха перетекает через хребет и
опускается на другой его стороне, он нагревается, и его способность удерживать
влагу увеличивается. Следовательно, пустыни образуются на подветренных склонах
гор. Говорят, что сухие регионы, где воздух спускается с гор, находится в дождевой
тени. Самые суровые по условиям пустыни образуются именно здесь (рис. 6).
Влажный воздух охлаждается, поднимаясь на горных хребет, что приводит к
выпадению большого количества осадков на наветренных склонах. На наветренной
стороне хребта создаются пустынные условия, так как, опускаясь, воздух
нагревается и вбирает в себя влагу из почвы.
Рис. 6. Дождевая тень
2.3 Вода на поверхности и в глубине земли
Вода, попадающая на землю в виде осадков, может следовать двумя
различными путями: либо впитывается в почву (инфильтрация), либо стекает
по ней (поверхностный сток). Очень важный показатель - отношение
инфильтрация/поверхностный сток. По поверхности вода стекает в ручьи и
реки, направляющиеся к океану или в другие места, где происходит испарение. Все
озёра, пруды, ручьи, реки и другие водоёмы под открытым небом называются поверхностными
водами.
Для впитывающейся воды также существует два альтернативных пути. Она
может удерживаться в почве в количестве, зависящем от водоудерживающей
способности почвы. Такая вода называется капиллярной и возвращается в
атмосферу путём эвапотранспирации.
Рис. 7 Судьба воды при инфильтрации
Вода, впитывающаяся в почву и удерживаемая в ней, называется капиллярной.
Когда почва ею насыщается (достигает полевой влагоёмкости), дополнительная
инфильтрационная вода просачивается вниз под действием силы тяжести и называется
гравитационной. Накапливаясь над водонепроницаемым слоем и заполняя здесь все
пустоты грунта, она образует грунтовые воды. Их верхняя граница называется
уровнем грунтовых вод.
Подземные слои породы часто залегают наклонно, что заставляет грунтовые
воды медленно перетекать подобно огромным рекам. Слои пористого материала, по
которым они движутся, называются водоносными горизонтами. Фактическое их
залегание бывает весьма сложным.
Под действием силы тяжести, от зоны пополнения, грунтовые воды
могут двигаться по водоносному слою, который в таком случае называется артезианским,
до тех пор, пока не выйдут на поверхность, образуя естественные родники.
Иногда вода вытекает на поверхность на относительно широком пространстве, а в
других случаях довольно мощной струёй бьёт из одной точки. В свою очередь
родники питают ручьи, реки и озёра. Таким образом, грунтовые воды снова
становятся частью поверхностных. Однако родник образуется только тогда, когда
уровень грунтовых вод проходит выше него, а, если он понижается, родник
пересыхает.
Рис. 8. Водоносный горизонт может залегать между двумя водонепроницаемыми
слоями; при этом, поскольку зона его пополнения расположена на более высокой
высотной отметки, вода находится в нём под давлением. Такие водоносные
горизонты называются артезианскими
круговорот вода экологический очистка
3. Зависимость человека от круговорота воды и его влияние на
этот процесс
Вся вода, которую мы употребляем, в той или иной точке изымается из
круговорота. Ещё страшнее то, что в гидрологический цикл могут попасть все
производимые нами отходы и загрязнители. (Рис. 9)
Рис. 9 Схема муниципального использования воды
Обычно её берут из реки, очищают, используют и возвращают обратно.
Более того, развитие городов, сельское хозяйство, сведение лесов и
опустынивание значительно повышают поверхностный сток и снижают инфильтрацию.
(Рис. 10)
Увеличивая поверхностный сток и снижая инфильтрацию, застройка приводит
ко многим нежелательным изменениям в естественном режиме функционировании
водоёмов.
Рис. 10
4. Стандартная очистка сточных вод
4.1 Первичные стоки
Стандартная канализационная система объединяет все сточные трубы от
расположенных в зданиях раковин, ванн и туалетов, как ствол дерева объединяет
все его ветви. Из основания этого «ствола» вытекает всё, что попало в систему,
- исходные стоки или исходные сточные воды. Отходы или
загрязнения подразделяют на три категории.
- мусор и песок
- органическое вещество или коллоиды
растворённые вещества
4.2 Этапы очистки
Чтобы очистка была полной, водоочистные сооружения должны устранить все
названные категории загрязнителей. Мусор и песок удаляются на этапе
предочистки. Сочетание первичной и вторичной очистки позволяет избавиться от
коллоидного материала. Растворённые биогены устраняются при помощи доочистки.
(Рис. 11) Обработка стоков в каждом конкретном случае не обязательно включают
все четыре этапа.
4.2.1 Предочистка
От мусора избавляются, пропуская исходные стоки через стержневую
решетку, т.е. ряд стержней расположенных на расстоянии около 2,5 см друг от
друга. Затем мусор механически собирают с решетки и сжигают в печи. Затем
очищенная от мусора вода попадает в песколовку или пескоотстойник,
- ёмкость, где движение воды замедляется настолько, что песок оседает. Затем он
механически извлекается оттуда и вывозится на свалку.
4.2.2 Первичная очистка
Далее вода медленно пропускается через крупные баки, называемые
первичными отстойниками. Здесь она в течение нескольких часов остаётся почти
неподвижной. Это позволяет самым тяжелым частицам органического вещества осесть
на дно, откуда его собирают. В то же время жирные и маслянистые вещества
всплывают к поверхности, и их снимают, как сливки. Весь этот материал называют
ил-сырец.
Рис. 11
4.2.3 Вторичная очистка
Эту очистку также называют биологической, так как в ней участвуют живые
естественные редуценты и детритофаги, потребляющее органическое вещество и в
процессе дыхания превращающее его в воду и углекислый газ. Обычно применяются
два вида систем: капельные биофильтры и активный ил.
В системах с капельными биофильтрами вода разбрызгивается и
стекает струйкой по слою камней величиною с кулак, толщина которого 2-3 м. Как
и в естественных ручьях, в этих условиях функционирует сложная экосистема,
включая, бактерии, простейших коловраток, различных мелких червей и других,
прикрепленных к камням детритофагов. Они буквально выедают из протекающей воды
всё органическое вещество, включая патогенов.
Всё большее распространение получает метод вторичной очистки - система
активного ила. В этом случае вода после первичной очистки попадает в
резервуар. По мере движения по резервуару вода в нём интенсивно аэрируется,
т.е. создаётся богатая кислородом среда, идеальная для развития смеси
детритофагов, называемая активным илом. В ходе их питания количество
органического вещества, включая патогенные микроорганизмы, уменьшается. Покидая
аэрационный резервуар, вода содержит множество детритофагов, поэтому их
направляют во вторичные отстойники. Осадок представляет собой тот же самый
активный ил, который снова закачивают в аэрационный резервуар.
До двух последних десятилетий не ощущалось острой необходимости
осуществлять дополнительную очистку воды уже после вторичной. Воду после неё
просто дизенфицировали хлоркой и сбрасывали в естественные водоёмы. Однако по
мере обострения проблемы эвтрофизации всё больше городов вводит ещё один
этап - доочистку, устраняющую биогены.
4.2.4 Доочистка
Доочистка это устранение одного или более биогенов. Для этого существует
множество методов. Воду можно очистить на 100% дистилляцией и
микрофильтрованием. Однако это требует больших затрат.
Фосфаты можно устранить, добавив в воду известь (ионы кальция).
4.2.5 Дезинфекция
Какой бы тщательной очистке не подвергались сточные воды, обычно их всё
равно дезинфицируют хлорированием перед сбросом в естественные водоёмы, чтобы
уничтожить все патогенные организмы, которые могли выжить. Использования для
этого газообразного хлора (Сl2) влечёт за собой определённые
экологические проблемы, требующие обсуждения.
Словарь
Экосистема - (англ. Ecosistem) природная система, в которой живые организмы и среда их обитания
объединены в единое функциональное целое, через обмен веществ и энергией, в
тесную причинно-следственную взаимосвязь и зависимость слагающих её
экологических компонентов.