go_up.gif Предыдущая часть документа


За информацией о более поздних инновациях в данной технологии читатель может обратиться к работе по проблемам предотвращения загрязнения и минимизации отходов, опубликованной Федерацией водной окружающей среды (Water Environment Federation) (1995).
     
Прогрессивные (передовые) методы очистки сточных вод
В случае необходимости для достижения более высокой степени удаления составляющих загрязнения может применяться целый ряд прогрессивных (передовых) технологических методов. В общем виде их список включает в себя:
     
фильтрацию (песком и другими фильтрующими материалами)
химическое осаждение
углеродную адсорбцию
электродиализ
дистилляцию
нитрификацию
сбор водорослей
утилизацию сливов
микрофильтрацию
отгонку аммиака
обратный осмос
ионообменные фильтры
применение почвогрунта
денитрификацию
увлажненные земли.
     
Наиболее подходящий для каждой ситуации процесс должен определяться на основе качества и количества необработанной сточной воды, требований со стороны принимающей воды и, конечно, затрат. За более подробной информацией можно обратиться к работе Меткафа и Эдди (Metcalf, Eddy) (1991), которая содержит главу по передовым методам очистки.
     
Учебная ситуация (кейс-стади) по передовым методам очистки сточных вод
Учебная ситуация по проекту утилизации канализационных стоков региона Дан (Dan Region Sewage Reclamation Project), описанная в другом месте данной главы, представляет собой прекрасный пример использования инновационных методов для очистки и утилизации сточных вод.
     
Термическое загрязнение
Термическое загрязнение является формой промышленных отходов, определяемой как вредное повышение или понижение нормальной (обычной) температуры воды в принимающей воде, вызванное отведением теплоты из созданных человеком сооружений. Предприятиями, производящими больше всего загрязняющей теплоты, являются электростанции, работающие на ископаемом (нефть, газ и уголь) и ядерном топливе, сталепрокатные цеха, нефтеочистные, химические, целлюлозо-бумажные и перегонные заводы, и прачечные. Особое место в этом ряду занимают предприятия электроэнергетики, производящие энергию для многих стран (например, около 80% в США).
     
Воздействие тепловых отходов на принимающую воду
     
Воздействие на способность к растворению отходов
· Теплота повышает степень биологического окисления.
· Теплота снижает степень насыщения воды кислородом и понижает уровень естественного реоксигенирования.
· Результирующий эффект воздействия теплоты обычно является негативным в течение теплых месяцев года.
· Зимний эффект может быть благоприятен в условиях холодного климата, где в результате воздействия теплоты разрушается ледяной покров и осуществляется поверхностная аэрация, полезная для рыб и других форм водной жизни.
     
Воздействие на водную жизнь
Многие виды имеют ограничения в температурной толерантности и нуждаются в защите, особенно в областях воздействия теплоты, расположенных в потоке или водоеме. Например, потоки холодной воды обычно являются местом обитания наиболее ценных видов промысловых рыб, таких как форель и лосось. Теплые же потоки обычно поддерживают жизнедеятельность популяций рыбы более низких сортов. Средние по температуре воды также являются средой обитания отдельных видов рыб, таких как щука и окунь.
     
Термическое разложение в принимающей воде
Рисунок 55.17 иллюстрирует различные формы естественного теплообмена на границах принимающей воды. Когда теплота сбрасывается в принимающую воду, например, реку, то важно проанализировать способность реки воспринимать тепловые добавки. Температурный профиль реки может быть рассчитан путем решения уравнения теплового баланса, аналогичного уравнению, использующемуся при расчете вогнутых кривых растворенного кислорода.

--------------------------------------------------------------------------------

Рис. 55.17 Теплообмен на границах живого сечения принимающей воды




--------------------------------------------------------------------------------
     
Основные коэффициенты уравнения теплового баланса для области реки, расположенной между точками А и В, проиллюстрированы на рисунке 55.18. Каждый коэффициент требует индивидуального расчета, зависящего от конкретных переменных теплоты. Так же как и в случае уравнения баланса растворенного кислорода, уравнение температурного баланса является просто суммой температурных активов и пассивов для данной области. Более сложные аналитические подходы изложены в литературе по этому вопросу. Результат расчета теплового баланса может быть использован при установлении лимитов отвода теплоты и, возможно, определенных ограничений использования водных объектов.

--------------------------------------------------------------------------------

Рис. 55.18 Функциональные возможности термальных добавок в условиях реки




--------------------------------------------------------------------------------

Контроль термического загрязнения
Основными подходами к осуществлению контроля термического загрязнения являются:
     
· обеспечение более высокого коэффициента полезного действия электростанций
· использование охлаждающих башен
· использование изолированных охлаждающих прудов
· изучение альтернативных методов производства энергии, например, гидроэлектростанций.
     
Там, где в рамках конкретной ограниченной среды физические условия благоприятны, гидроэлектроэнергия должна рассматриваться как альтернатива производству электроэнергии на ископаемом или ядерном топливе. При производстве гидроэлектроэнергии не происходит отвода теплоты и слива сточных вод, вызывающих загрязнение.
     
Контроль загрязнения грунтовых вод
     
Значение грунтовых вод
Поскольку мировые запасы воды повсюду извлекаются из водоносных слоев, то очень важно, чтобы эти источники воды были защищены. По оценкам, более 95% источников пресной воды на Земле расположены ниже уровня ее поверхности. В соответствии с данными геологического обзора США (US Geological Survey) за 1984 год около 50% питьевой воды в Америке поступает из скважин. Так как загрязнение и движение подземных вод трудноуловимо и невидимо, то анализу и контролю этой формы деградации воды иногда уделяется меньше внимания, чем загрязнению поверхностных вод, которое гораздо более очевидно.
     
Источники подземного загрязнения
На рисунке 55.19 представлен гидрологический цикл с накладывающимися один на другой источниками загрязнения грунтовых вод. Полный список потенциальных источников подземного загрязнения очень обширен. Однако для иллюстрации мы назовем наиболее очевидные из них:
     
· сливы промышленных отходов;
· загрязненные потоки, контактирующие с водоносными слоями;
· разработка месторождений полезных ископаемых;
· удаление твердых и опасных отходов;
· танки подземных хранилищ, например, для нефти;
· ирригационные системы;
· искусственное подпитывание подземных вод;
· вторжения морской воды;
· пролитые жидкости;
· загрязненные пруды с проницаемым дном;
· скважины для закачки сточных вод;
· зоны вблизи цилиндров септических танков и ямы выщелачивания;
· неправильное бурение скважин;
· сельскохозяйственная деятельность;
· соли, уничтожающие лед на дорогах.

--------------------------------------------------------------------------------

Рис. 55.19 Гидрологический цикл и источники заражения грунтовых вод




--------------------------------------------------------------------------------

Конкретные агенты загрязнения, вызывающие подземное заражение, далее разделяются на следующие категории:
     
· нежелательные химические составляющие (стандартный, неполный список) - органические и неорганические (например, хлориды, сульфаты, железо, марганец, натрий, калий);
· суммарная жесткость воды и суммарные растворенные в воде вещества;
· токсичные составляющие (стандартный, неполный список) - нитраты, мышьяк, хром, свинец, цианид, медь, фенолы, растворенная ртуть;
· нежелательные физические свойства - вкус, цвет и запах;
· пестициды и гербициды - хлорированные углеводороды и др.;
· радиоактивные вещества - различные формы радиоактивности;
· биологические организмы - бактерии, вирусы, паразиты и т.д.;
· кислота (низкий уровень pH) или едкие вещества (высокий уровень pH).
     
Из всех вышеперечисленных агентов загрязнения особое внимание необходимо уделять нитратам, содержащимся как в подземных, так и в поверхностных водах. Содержащиеся в запасах грунтовых вод нитраты могут вызвать метгемоглобинемию (младенческий цианоз). Эти нитраты также приводят к возникновению вредных эффектов этрофикации поверхностных вод и распространяются на большое число источников воды, как отмечалось у Прeля (Preul) (1991). Прeль (1964, 1967, 1972), а также Прeль и Шропфер (Schroepfer) (1968) описывали подземное передвижение азота и других агентов загрязнения.
     
Распространение (продвижение) загрязнения под землей
Движение грунтовых вод очень медленно и трудноуловимо по сравнению с продвижением поверхностных вод в гидрологическом цикле. Для простого понимания продвижения обыкновенной грунтовой воды в условиях идеально равномерного потока, в качестве базового подхода к оценке перемещения грунтовой воды при малых значениях чисел Рейнольдса (R) используется закон Дарси (Darcy):
     
     V = K(dh/dl)
где:
     
     V = скорость грунтовой воды в водоносном слое, м/день
     K = коэффициент проницаемости водоносного слоя
     (dh/dl) = гидравлический градиент, представляющий собой движущую силу перемещения
     
При продвижении агентов загрязнения под землей обыкновенная грунтовая вода обычно является несущей жидкостью, и темп ее перемещения может быть рассчитан в соответствии с параметрами закона Дарси. Однако темп продвижения или скорость агента загрязнения, такого как органический или неорганический химикат, может быть разной из-за процессов адвекции и гидродинамического рассеивания. В результате реакций внутри водоносного слоя некоторые ионы движутся медленнее или быстрее, по сравнению с общей скоростью потока грунтовой воды, поэтому их можно классифицировать как "вступающие в реакцию" или "не вступающие в реакцию". Реакции обычно имеют следующую форму:
     

· физические реакции между агентами загрязнения и водоносным слоем и/или переносящей жидкостью;
· химические реакции между агентами загрязнения и водоносным слоем и/или переносящей жидкостью;
· биологическое воздействие на агенты загрязнения.
     
Ниже приведены типичные вступающие и не вступающие в реакцию агенты подземного загрязнения:
     
· вступающие в реакцию агенты загрязнения - хром, ионы аммония, кальций, натрий, железо и т.д.; все катионы; биологические составляющие; радиоактивные составляющие;
· не вступающие в реакцию агенты загрязнения - хлориды, нитраты, сульфаты и т.д.; определенные анионы; определенные химические пестициды и гербициды.

Сначала может показаться, что вступающие в реакцию агенты загрязнения являются наихудшим их видом, но это не всегда так, поскольку реакция замедляет или задерживает продвижение концентраций загрязнения, в то время как продвижение не вступающих в реакции загрязнителей может быть практически несдерживаемым. Сейчас стали доступны некоторые "мягкие" бытовые и сельскохозяйственные средства, которые биологически разлагаются после некоторого периода времени. Таким образом, можно избежать заражения грунтовых вод.
     
Восстановление и оздоровление водоносного слоя
Наилучшим методом, очевидно, является предотвращение подземного загрязнения. Однако обстоятельства бесконтрольного существования загрязненных грунтовых вод обычно становятся известными после того, как загрязнение произошло, например, из-за жалоб тех, кто пользуется водой из скважины в данном регионе. К сожалению, к тому времени, как существование проблемы будет признано, водоносному слою уже может быть нанесен серьезный ущерб, и потребуется его восстановление и санация. Санация (оздоровление) может потребовать проведения многочисленных полевых гидрогеологических исследований и лабораторных анализов образцов воды для того, чтобы определить степень концентрации агентов загрязнения и шлейфы их продвижения. Часто в качестве объектов первоначальной выборки могут использоваться уже существующие скважины, но в серьезных случаях может потребоваться проведение обширных бурильных работ для получения образцов воды. Эти данные могут затем быть проанализированы для определения текущего состояния грунтовых вод и предсказания их состояния в будущем. Анализ продвижения заражения грунтовых вод является специальной областью исследований, в которой для лучшего понимания динамики грунтовых вод и разработки прогнозов при различных ограничивающих условиях часто требуется применение компьютерных моделей. Ряд двух- и трехмерных компьютерных моделей описывается в литературе по этой проблеме. Более подробное изложение аналитических методов читатель может найти в книге Фриза и Чери (Freeze, Cherry) (1987).
     
Предотвращение загрязнения
Наиболее предпочтительным методом охраны запасов грунтовых вод является предотвращение их загрязнения. Хотя стандарты питьевой воды обычно относятся к использованию грунтовых источников, источники сырой воды нуждаются в защите от заражения. Ответственность за подобную деятельность обычно несут правительственные учреждения, такие как министерства здравоохранения, агентства по природным ресурсам и агентства по охране окружающей среды. Усилия по контролю загрязнения грунтовых вод в основном направлены на охрану водоносных слоев и предотвращение загрязнения.
     
 Предотвращение загрязнения требует контроля использования земель, осуществляемого в форме зонирования и определенного регулирования землепользования. Для предотвращения отдельных видов загрязнения могут применяться законы. Например, законы могут защищать от точечных источников или от действий, которые потенциально могут привести к возникновению загрязнения. Контроль землепользования через зонирование является инструментом охраны грунтовых вод, применение которого наиболее эффективно на уровне муниципального или окружного управления. Программы по охране водоносных слоев и источников, как описано ниже, являются наиболее типичными примерами предотвращения загрязнения.
     
Программа охраны водоносного слоя требует определения границ водоносного слоя и района его подпитывания. Водоносные слои могут быть неограниченного и ограниченного (водоупором) типа. Для определения их типа они должны быть проанализированы гидрологом. Большинство основных водоносных слоев хорошо известны в развитых странах, но другие регионы мира могут нуждаться в проведении полевых изысканий и гидрогеологического анализа. Основным элементом программы в области защиты водоносного слоя от деградации качества воды является контроль землепользования над водоносным слоем и районами его подпитывания.
     
Охрана источников является более конкретным и ограниченным подходом, который применяется в районах подпитывания, относящихся к конкретной скважине. Федеральное правительство США посредством поправок к Акту о Безопасной питьевой воде (SDWA) (1984), принятых в 1986 году, реализует требование о том, чтобы для скважин общественного водоснабжения создавались конкретные районы охраны источников. Район охраны источников (WHPA) определен в SDWA как "площадь поверхности и под поверхностью, окружающей водяную скважину или зону скважины, снабжающей водой систему общественного водоснабжения, через которую (систему) заражающие примеси с обоснованной вероятностью могут перемещаться вперед и достигать такой водяной скважины или зоны скважины". Главной целью программы WHPA, как подчеркивалось Агентством по охране окружающей среды США (1987), является установление контуров районов охраны источников на основе выбранных критериев, работы скважин и гидрогеологических соображений.