Загрязнение гидросферы железнодорожным транспортом

Введение

Вода, употребляемая во многих технологических процессах железнодорожного хозяйства и отводящаяся за пределы производственных помещений, предприятий после использования, относится к сточным водам. В зависимости от происхождения, вида и степени загрязнения на железнодорожном транспорте образуются производственные, бытовые и поверхностные сточные воды.

Рассмотрим основные предприятия железнодорожного транспорта, использующие воду.

Локомотивные и вагонные депо занимают территории, площадь которых колеблется в среднем в пределах 4−5 га. Все подразделения локомотивного и вагонного хозяйств обеспечивают подготовку к работе тягового подвижного состава, вагонов, их техническое обслуживание и ремонт. Большинство производственных операций в локомотивных и вагонных депо связано с потреблением воды и образованием загрязненных сточных вод. Производственные сточные воды локомотивных и вагонных депо образуются в процессе наружной обмывки подвижного состава, при промывке узлов и деталей перед ремонтом, в гальванических цехах или участках, при промывке и заправке аккумуляторов, регенерации фильтров, при продувке и промывке паровых котлов, мытье смотровых канав и стирке спецодежды.

Сточные воды, поступающие в канализацию, содержат большое количество различных загрязнений. По происхождению загрязнения подразделяются на: минеральные, органические, бактериальные (биологические).

1.Загрязнение гидросферы железнодорожным транспортом Вода, употребляемая во многих технологических процессах железнодорожного хозяйства и отводящаяся за пределы производственных помещений, предприятий после использования, относится к сточным водам. В зависимости от происхождения, вида и степени загрязнения на железнодорожном транспорте образуются производственные, бытовые и поверхностные сточные воды

Производственные сточные воды образуются в результате технологического цикла (обмывка подвижного состава, промывка цистерн, мытье смотровых канав) и производственных операций (очистка узлов и деталей в моечных машинах, ремонт аккумуляторных батарей, гальваническая и механическая обработка деталей, гидравлические и реостатные испытания и т. д.).

Бытовые сточные воды образуются при эксплуатации на территориях предприятий столовых, прачечных, душевых.

Поверхностные сточные воды образуются в результате смыва дождевой, талой и поливочной водой примесей, скапливающихся на загрязненной территории и крышах производственных зданий.

Санитарные правила охраны поверхностных вод устанавливают нормируемые значения показателей качества, воды и водных объектов в зависимости от категории водоема: I категория — водоемы питьевого и культурно-бытового назначения; II категория — водоемы рыбохозяйственного назначения. Железнодорожный транспорт использует воду в хозяйственно-бытовых и питьевых целях.

Рассмотрим основные предприятия железнодорожного транспорта, использующие воду.

Локомотивные и вагонные депо занимают территории, площадь которых колеблется в среднем в пределах 4−5 га. Все подразделения локомотивного и вагонного хозяйств обеспечивают подготовку к работе тягового подвижного состава, вагонов, их техническое обслуживание и ремонт. Большинство производственных операций в локомотивных и вагонных депо связано с потреблением воды и образованием загрязненных сточных вод. Производственные сточные воды локомотивных и вагонных депо образуются в процессе наружной обмывки подвижного состава, при промывке узлов и деталей перед ремонтом, в гальванических цехах или участках, при промывке и заправке аккумуляторов, регенерации фильтров, при продувке и промывке паровых котлов, мытье смотровых канав и стирке спецодежды.

Пункты подготовки пассажирских и грузовых вагонов, где осуществляется наружная и внутренняя обмывка вагонов из-под различных грузов (минеральные удобрения химикаты, строительные материалы, комбикорма, зерно и др.) занимают небольшие территории, в среднем 2−3 га. Технологические процессы этих предприятий не способствуют образованию больших загрязненных площадей: в среднем они составляют 3−5% занимаемой территории. Эти стоки загрязнены, как правило, тяжелыми минеральными примесями, содержат растворенные соли, нефтепродукты, тетраэтилсвинец, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и т. д. Производственные стоки после наружной обмывки ходовых частей содержат органические соединения животного или растительного происхождения. Последние приводят к загниванию стоков. Сточные воды пунктов обмывки пассажирских вагонов и электросекций содержат в основном взвешенные вещества и нефтепродукты, а также бактериальные загрязнения, смываемые при обмывке подвагонных узлов (рис. 22). Внешний вид моечной машины показан на рис. 23.

Сточные воды пунктов подготовки грузовых вагонов загрязнены тяжелыми минеральными примесями, содержащими остатки минеральных удобрений — растворенные соли, нефтепродукты с ходовых частей, органические соединения растительного и животного происхождения, в которых также присутствуют бактериальные загрязнения. Пункты подготовки, как правило, не имеют оборотного водоснабжения. Это резко увеличивает потребление водных ресурсов.

Рис. 1. Взвешенные вещества и нефтепродукты в сточных водах Рис. 2. Моечная машина вагонного депо Сточные воды промывочно-пропарочных станций образуются при пропарке и промывке цистерн из-под нефти, дизельного топлива, мазута, керосина, бензина, смазочных масел и других продуктов переработки нефти, а также при обмывке эстакад и лотков. Эти стоки загрязнены нефтепродуктами и взвешенными веществами. В них могут присутствовать фенолы, органические кислоты, ацетон, тетраэтилсвинец, ПАВ. Производственные стоки после наружной обмывки цистерн содержат в основном взвешенные вещества и нефтепродукты. Температура этих стоков обычно повышена до сорока градусов. Территории промывочно-пропарочных станций занимают в среднем до 12 га, из которых примерно четвертая часть довольно сильно загрязнена остатками перевозимых нефтяных грузов. Сточные воды промывочно-пропарочных станций (объемом от 60 до 500 м3) загрязнены нефтепродуктами, растворенными органическими кислотами, фенолами. Если в цистерне осуществлялась перевозка этилированного бензина, то в стоках содержится, помимо перечисленного, и тетраэтилсвинец. Для обмывки используется оборотное водоснабжение, при котором обмывочная вода после прохождения через очистные сооружения и отделения от нефтепродуктов используется повторно. Количество производственных сточных вод от промывочно-пропарочных станций составляет 500−2000 м3/cут. Концентрация нефтепродуктов в стоках промывочно-пропарочных станций составляет 20 000−50 000 мг/л и более, а механических примесей — 2000;3000 мг/л.

Шпалопропиточные заводы. Один шпалопропиточный завод сбрасывает в год от 40 до 150 тыс. м3 производственных и хозяйственно-бытовых вод (рис. 24). Объемы бытовых и производственных сточных вод составляют около 12−35 м3/cут и 100−150 м3/cут. Соответственно и состав сточных вод связан с наличием смол, масел, фенолов и других примесей. Концентрация смол и масел в производственных стоках заводов, работающих на масляных антисептиках, колеблется от 100 до 60 000 мг/л, а содержание фенолов достигает 2500 мг/л, составляя в среднем 500−600 мг/л.

Железнодорожные станции предназначены для приема, пропуска и обработки поездов. Сточные воды пассажирских станций в основном представляют собой хозяйственно-бытовые стоки, загрязненные минеральными и органическими примесями, включая жиры и моющие средства.

Дезинфекционно-промывочные станции предназначены для обработки вагонов после перевозки скота, птицы, кожи, шерсти, костей. В зависимости от состава перевозимых грузов и их санитарного состояния обрабатываемые вагоны подразделяются на три категории: 1) вагоны I категории, предназначенные для перевозки здоровых животных, а также животного сырья, благополучного по инфекционным заболеваниям; 2) вагоны II категории, предназначенные для перевозки больных животных или подозреваемых в заражении инфекционными заболеваниями; 3) вагоны III категории, предназначенные для перевозки больных животных или подозреваемых в заражении стойкими и опасными инфекционными заболеваниями (сибирская язва, столбняк и др.).

После промывки вагонов сточные воды этих предприятий загрязнены остатками перевозимых грузов, веществами, применяемыми для дезинфекции вагонов (хлорная известь, каустическая сода и др.), а также бактериальными загрязнениями. По составу растворенных загрязнений эти стоки близки к хозяйственно-бытовым стокам.

Производственные и сточные воды на щебеночных заводах образуются при помывке щебня, мокрой очистке воздуха от пыли в аспирационных системах, в гидрозатворах дробилок, обмывке ремонтируемого оборудования, уборке помещений. Преобладающим загрязнением стоков являются минеральные взвешенные вещества, в незначительных количествах могут присутствовать нефтепродукты. Сточные воды щебеночного завода в объеме от 10 до 250 м³ в год могут представлять опасность для экосистем при попадании в близлежащие водоемы.

Рельсосварочные поезда и промывочно-пропарочные комплексы необходимы для производства путевых работ по сварке рельсовых путей и обмывки старогодних рельсов. Производственные сточные воды образуются при охлаждении сварочных и закалочных агрегатов, а также при выпуске воды из моечных машин, предназначенных для обмывки рельсов. Сточные воды загрязнены нефтепродуктами и взвешенными веществами, а при использовании моечных дезинфицирующих средств в стоках содержатся щелочи и поверхностно-активные вещества.

1.2 Методы очистки сточных вод

1.2.1 Классификация загрязнителей Сточные воды, поступающие в канализацию, содержат большое количество различных загрязнений. По происхождению загрязнения подразделяются на: минеральные, органические, бактериальные (биологические). К минеральным загрязнениям относят песок, частицы грунта, минеральные масла, соли, кислоты, щелочи. Наибольшую опасность в санитарном отношении представляют органические загрязнения, так как они являются благоприятной средой для развития различных бактерий, в том числе болезнетворных. К ним относятся вещества растительного происхождения (остатки овощей, фруктов, бумага, растительные масла) и животного происхождения (физиологические выделения людей и животных, остатки мускульных и жировых тканей животных), искусственного происхождения (органические кислоты, фенолы, амины, нефтепродукты, клеевые вещества). Бактериальные загрязнения представляют собой живые микроорганизмы, бактерии, вирусы, дрожжевые и плесневые грибки, многие из которых являются болезнетворными.

По размерам загрязняющие вещества, находящиеся в воде, подразделяют на крупные примеси (частицы размером более 0,1 мм до 0,1 мкм), коллоидные частицы (от 0,1 до 0,001 мкм); молекулярно-дисперсные частицы (менее 0,001 мкм).

В зависимости от степени и характера загрязнения применяют механические, химические, физико-химические и биологические методы очистки сточных вод.

1.2.2 Механические методы очистки и оборудование Механические методы очистки (предварительные) предназначены для очистки производственных, хозяйственно-бытовых сточных вод от крупных плавающих твердых примесей, взвешенных частиц, а также прочих загрязнителей: нефтепродуктов, нерастворимых металлов и их соединений путем отстаивания и фильтрования, отделения взвешенных частиц с использованием центробежных сил. Основные типы оборудования: отстойники, песколовок, нефтеловушки, фильтры, гидроциклоны.

1.2.3 Отстаивание Отстаивание (седиментация) — естественный процесс выделения из воды грубодисперсных примесей путем осаждения под влиянием сил тяжести, если плотность частиц больше плотности воды, или всплывания, если наоборот. Отстаивание осуществляется в отстойниках, септиках, песколовках и масловушках (нефтеловушки).

В зависимости от типа движения воды процесс отстаивания осуществляется в отстойниках вертикального, горизонтального, радиального, в том числе двухъярусного типа, септиках. Эффект очистки по взвешенным веществам в горизонтальном отстойнике составляет 50%, в радиальном — 50−60%, в вертикальном — 40−50%.

Во многих отстойниках осуществляется минерализация (перегнивание) выпавшего в них осадка (двухъярусные отстойники, горизонтальные отстойники, септики). Интенсификация процесса отстаивания воды достигается предварительной обработкой её реагентами, т. е. добавлением соединений (гидроксилы тяжелых металлов) или активного ила, или пузырьков газа, которые способны образовывать с водными загрязнениями агрегаты большой гидравлической крупности.

Вертикальный отстойник (рис. 3) представляет круглый или квадратный резервуар с камерой хлопьеобразования, расположенной в центре отстойника. Диаметр отстойника — 50−10 м, глубина — до 7 м. Скорость входящего потока воды должна составлять до 0,6 мм/с, время отстаивания — 2 часа, производительность — до 20 м3/сут.

Рис. 3. Схема вертикального отстойника: 1 — сопло для поступления сточной воды;

2 — центральная труба — водоворотная камера хлопьеобразования;

3 — водосборный желоб для слива осветленной воды;

4 — зона осаждения для поднятия воды; 5 — зона накопления осадка Горизонтальный отстойник (рис. 4) представляет собой прямоугольный резервуар, выполненный из железобетона. Для повышения равномерности распределения воды его делят в продольном направлении перегородками на ряд коридоров шириной от 3 до 6. Для сгребания осадка устраивается скребковый механизм в виде транспортера со скребками или осадок удаляется через дырчатые лотки расположенные на дне отстойника.

а б

Рис. 4. Горизонтальный отстойник: а — схема (1 — распределительные трубы для подачи сточной воды; 2 — камера хлопьеобразования; 3 — водослив; 4 — перегородка; 5 — зона осаждения; 6 — водосборный желоб для слива осветленной воды; 7 — трубы или дырчатые лотки для удаления осадка; 8 — зона накопления и уплотнения осадка); б — отстойник вагонного депо Радиальные отстойники (рис. 5) являются разновидностью горизонтальных. Применяются для осветления сильно мутных вод при большой производительности очистных сооружений более 25 тыс. м3/сут. Диаметры радиальных отстойников колеблются от 15 до 50 м, глубина — до 3,5 м у центра.

Радиальный отстойник представляет собой круглый в плане резервуар. Сточная вода подается в центр отстойника снизу вверх и движется радиально от центра к периферии. Особенность гидравлического режима работы радиального отстойника заключается в том, что скорость движения воды изменяется от максимального его значения в центре отстойника до минимального значения у периферии. Плавающие вещества удаляются с поверхности воды в отстойнике подвесным устройством, размещенным на вращающейся ферме, и поступают в приемный бункер или в сборный лоток. Выпадающий осадок с помощью скребков, укрепленных на подвижной ферме, сдвигается в приямок отстойника. Осадок удаляется по трубопроводу с помощью плунжерных и центробежных насосов, устанавливаемых в расположенной рядом насосной станции. Всплывающие вещества отводятся в жиросборник. Осветленная вода поступает в сборный лоток Рис. 5. Схема радиального отстойника: 1 — воздухоотделитель; 2 — стояк; 3 — дырчатые трубы; 4 — поддон; 5 — выпуск осадка; 6 — шламоуплотнитель; 7 — перфорированное днище; 8 — слой взвешенного осадка; 9 — водосборный лоток Двухъярусные отстойники (рис. 6) — это круглые или прямоугольные глубокие резервуары, предназначенные как для отстаивания сточных вод, так и для перегнивания выпавшего на дно осадка. Они представляют собой горизонтальные отстойники, в которые вмонтированы один или два желоба. Нерастворенные загрязнения по мере протекания воды по желобу проваливаются в септическую часть, предназначенную для перегнивания осадка. Сбраживание осадка осуществляется в зависимости от температуры сточных вод: от 60 до 180 суток. Выпуск сброженного осадка производится один раз в 10 суток.

Рис. 6. Схема двухъярусного отстойника: 1 — полупогруженные доски для равномерного распределения воды; 2 — желоб; продольная щель для проникновения твердых частиц в септическую часть; 3 — септическая часть отстойника; иловая труба для выпуска сброженного осадка Септики — это прямоугольные или круглые резервуары (рис. 7), в которых бытовые сточные воды медленно протекают в течение 2−3 суток. Загрязнения, содержащиеся в сточных водах, выпадают на дно и перегнивают (сбраживаются) в течение 6−12 месяцев, а затем вывозятся на иловые площадки. Легкие загрязнения поднимаются на поверхность воды и в септике образуется корка толщиной до 1 м. Септики и горизонтальные отстойники применяются при малых количествах сточных вод — до 25 м3/сут.

Рис. 7. Схема септика: 1 — впускной трубопровод; 2 — корка, образующаяся из легких загрязнений; 3 — септическая часть (осадок); 4 — отстойная часть; 5 — перегородки с отверстиями; 6 — выпуск очищенной воды Песколовка, устройство для выделения из сточных вод механических примесей минерального происхождения (главным образом песка) (рис. 8 и 9).

Рис. 8. Схема песколовки с прямолинейным и круговым течением воды: 1 — гидроэлеватор для удаления осадка; 2 — приямок; 3 — скребковый механизм; 4 — бесконечная цепь со скребками; 5 — круговой жёлоб со щелью; 6 — коническая часть осадка

Песколовку обычно устанавливают перед отстойниками очистных сооружений. Применение песколовок обусловлено тем, что при совместном выделении в отстойниках минеральных и органических примесей затруднён процесс удаления осадка из отстойников и дальнейшая его обработка. В песколовках в основном задерживается песок крупностью 0,25 мм и более. Они применяются на очистных сооружениях при производительности более 100 м3/сут и обычно всегда при наличии двухъярусных отстойников. Работают по принципу отстаивания жидкости при медленной скорости ее течения. Различают песколовки с горизонтальным (наиболее распространены), вертикальным и винтовым движением воды; последние бывают аэрируемыми (вода продувается сжатым воздухом). Горизонтальные песколовки представляют собой железобетонные резервуары прямоугольного или трапецеидального поперечного сечения, в которых вода движется со скоростью 0,15−0,3 м/сек, продолжительность пребывания воды в песколовках 30−60 сек, песок выпадает в осадок под действием силы тяжести.

Рис. 9. Очистные сооружения, песколовки Нефтеловушки (рис. 10) применяются для задержания грубодисперсных нефтяных частиц при концентрации нефтепродуктов в сточной воде более 100 мг/л. Одновременно в них задерживаются механические примеси. Они представляют собой горизонтальные, прямоугольные отстойники, глубиной от 1 до 2 м, шириной от 3 до 6 м, оборудованные устройством для задержания и сбора нефтепродуктов. Скорость течения сточной воды в нефтеловушке не более 4 — 6 мм/c в течение около 2 часов. Нефтеловушка улавливается до 98% нефтепродуктов.

Рис. 10. Схема нефтеловушки: 1 — проводящий трубопровод; 2 — приемная камера; 3 — распределительная перегородка; 4 — приямок для осадка с гидроэлеватором; 5 — отстойная зона; 6 — скребковое устройство для сбора легких фракций нефтепродуктов; 7 — нефтеудерживающая перегородка; 8 — выпускная камера; 9 — водоотводящий трубопровод; 10 — водосборный лоток; 11 — поворотные щелевые трубы; 12 — привод скребков

1.2.4 Фильтрование Фильтрование — движение жидкости через пористую среду. Фильтрация применяется для частичной и глубокой очистки вод от грубодисперсных частиц, дестабилизированных коллоидов и высокомолекулярных загрязнений. Фильтры представляют собой металлические емкости, изготовленные из различных материалов диаметром 1−3 м. Внутренний объем фильтра заполняется различным материалом, могут быть использованы природные материалы (песок, опилки, дробленый гравий, уголь, доменный шлак, мраморная крошка, дробленый антрацит) и искусственные (полистирол, полипропилен). По количеству используемых в одном корпусе фильтров материалов они могут быть однослойными и многослойными. По скорости фильтрования фильтры бывают медленные (V = 0,1−0,5 м/ч), полускорые (V = 0,5−3,0 м/ч), скорые (V = 3,0−20 м/ч), сверхскоростные (более 20 м/ч).

В зависимости от создаваемого напора перед фильтрованием они бывают напорные (рис. 11) и безнапорные. По виду загрузочного материала фильтры могут быть с тяжелыми загрузочными материалами и материалами средней плотности, эффект очистки 80%.

Рис. 11. Схема напорного фильтра: 1 — корпус фильтра;

2 — фильтрующая песчаная или гравийная загрузка;

3 — труба для подачи воды на очистку; 4 — распределительная система;

5 — воздухоотводящая трубка

Oтделение взвешенных частиц с использованием центробежных сил основано на различии физико-химических свойств компонентов смеси. К аппаратам подобного типа действия относятся напорные и безнапорные гидроциклоны, центрифуги. Эти устройства особенно эффективны, если плотность грубодисперсных частиц (песок, металлическая или каменная пыль, окалина, жиры, масла и т. д.) существенно отличается от плотности воды, при этом достигается 90%-ный эффект очистки.

В напорные гидроциклоны (рис. 12) вода подается через тангенциально направленный патрубок в цилиндрическую часть. Далее вода, двигаясь по винтовой спирали вдоль наружной стенки аппарата, направляется в его коническую часть. Здесь основной поток изменяет направление движения и перемещается к центральной части аппарата. Выделяющийся в пристенной зоне осадок и наиболее насыщенная взвешенными веществами часть воды удаляются из аппарата через насадку для шлама. Поток осветленной воды в центральной зоне аппарата движется по цилиндрической спирали вверх к сливной насадке. Гидроциклоны могут работать в вертикальном, наклонном или горизонтальном положении. Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70%.

Рис. 12. Схема напорного гидроциклона: 1 — сменная насадка-сгуститель;

2 — сливной патрубок с диафрагмой; 3 — входной патрубок;

4 — камера сбора осветленной воды; 5 — выходной патрубок

2. Химические методы очистки и необходимое оборудование Одним из основных химических методов очистки сточных вод является — реагентный. В его основе лежат химические реакции, которые переводят вредные загрязнители в воде из раствора в нерастворимый осадок с последующим извлечением осадка из стока. Метод применяется для удаления из сточных вод растворенных неорганических веществ ионного типа (соли, кислоты, основания), растворенных органических веществ и поверхностно-активных веществ. Достигается 97−98%-ный эффект очистки.

Метод окисления озоном, ультрафиолетом (УФ), сильными окислителями: фтором, кислородом, хлором и другими используют для доочистки сточных вод в основном от органических кислот, ПАВ. Процесс окисления осуществляется в окислительных установках (рис. 13).

Метод хлорирования используют для обеззараживания воды, при этом применяют хлорную известь, хлор и его производные. Обеззараживающее действие хлора объясняется взаимодействием хлорноватистой кислоты и гипохлорит-ионов с веществами, входящими в состав клеток бактерий, в результате которого бактерии погибают, при этом достигается 99%-ный эффект очистки.

Рис. 13. Схема озонаторной установки: 1, 5 — пылевые фильтры; 2 — воздуходувка; 3 — холодильник; 6 — генератор озона; 7 — барботажная колонна; I — воздух; II — охлаждающая вода; III — очищенная сточная вода; IV — подача сточной воды; V — отработанный воздух

Метод нейтрализация основан на реакции обмена между кислотой и щелочными реагентами, при которой оба соединения теряют свои характерные свойства, и происходит образование солей. Выбор нейтрализующих реагентов производится с учетом их эффективности. Из кислот наиболее часто применяют серную, соляную кислоты, а из щелочных реагентов — гашеную известь, кальцинированную соду, едкий натр, известняк, доломит. Процесс осуществляется в нейтрализаторах чаще с последующим осветлением, при этом емкости снабжены перемешивающим устройством и дозатором реагентов (рис. 14).

Рис. 14. Схема нейтрализатора периодического действия: 1 — бак бисульфита натрия; 2 — бак щелочи; 3 — бак кислоты; 4 — резервуар отстойник; 5 — рН-метр; 6 — барботер; 7 — трубопровод очищенной воды; 8 — трубопровод сжатого воздуха; 9 — трубопроводы подачи кислых и щелочных стоков

2.1 Физико-химические методы и оборудование Физико-химические методы очистки предназначены для очистки сточных вод от мелкодисперсных коллоидных соединений, а также веществ в молекулярной и ионной форме. Из физико-химических способов очистки наиболее распространены флотационный и сорбционный методы, а также метод коагуляции, которые используют для очистки стоков в различных комбинациях, при этом учитывается характер сточных вод.

Процесс очистки сточных вод флотацией заключается в образовании комплексов частицы-пузырьки, всплывании этих комплексов и удалении образовавшегося пенного слоя с поверхности воды. При очистке стоков применяют компрессионный (напорный), механический и пневматический виды флотации, отличающиеся способом введения в жидкость пузырьков воздуха. Процесс флотации протекает в 8−10 раз быстрее, чем отстаивание, и заканчивается в течение 10−15 мин. Флотация осуществляется в устройствах — напорных флотаторах (рис. 15 и 16). Слипание пузырьков газа с грязевыми частицами протекает наиболее интенсивно, если загрязнениями являются гидрофобные вещества (масла, нефтепродукты, угольная пыль и др.). Эффект очистки флотационными установками достигает 60%. Процесс флотации можно интенсифицировать магнитной обработкой воды (эффект очистки флотацией повышается на 30%) или предварительной гидрофобизацией загрязняющих веществ с применением реагентов.

Рис. 15. Схема флотатора: 1 — трубопровод; 2 — распределительное устройство; 3 — кольцевая перегородка; 4 — зона циркуляции; 5 — флотационная зона; 6 — пена; 7 — радиальная пеносборная труба; 8 — скребок; 9, 10 — трубопроводы; 11 — скребковый механизм; 12 — привод

Сточная вода, насыщенная воздухом, по трубопроводу 1 направляется в распределительное устройство 2 работающее по принципу сегнерова колеса. В флотационной зоне 5 воздушная смесь поднимается вертикально, а затем, в отстойной зоне, ограниченной полупогружной кольцевой перегородкой 3, растекается в горизонтальном направлении. Скопившаяся пена скребком 11 сгоняется в радиальную пеносборную трубу. Очищенная вода переливается через перегородку 3 и выводится через трубопровод 9. Трубопровод 10 служит для опорожнения аппарата и вывода осадка. Скребковый механизм 11 приводится в движение через привод 12 и удаляет осевший осадок.

Рис. 37. Флотационная установка локомотивного депо Коагуляция — процесс укрупнения коллоидных частиц и перехода их в категорию грубодисперсных частиц. При коагуляции применяют традиционные неорганические вещества (соли двухи трехвалентного железа, алюминия). Вкачестве очистного оборудования используют осветлители (рис. 38), представляющие собой железобетонные либо металлические резервуары (рис. 18), заполненные фильтрующей загрузкой с поддерживающими гравийными слоями. Толщина загрузки — 2 м. Воду, подлежащую очистке, предварительно смешивают с коагулянтами, подают в трубчатую распределительную систему контактного осветлителя. Эффект очистки сточных вод таким способом достигает 90%.

Процесс поглощения одного вещества другим называется сорбцией. Поглощающее вещество называется сорбентом, поглощаемое — сорбтивом (сорбатом). В зависимости от механизма сорбции различают абсорбцию (поглощение всем объемом сорбента), адсорбцию (поглощение поверхностным слоем сорбента) и др. Сорбция возникает самопроизвольно и продолжается с убывающей скоростью до достижения равновесного состояния. К преимуществам сорбционного метода очистки относятся: возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости и управления процессом. В качестве сорбентов используются различные искусственные и природные пористые материалы, имеющие развитую или специфическую поверхность: золы, коксовая мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины, пенополистирол и др. Наиболее эффектными сорбентами являются активные угли различных марок.

Рис. 17. Схема контактного осветлителя: 1 — трубчатая распределительная система для подачи сточной воды смешанной с коагулянтом; 2 — фильтрующая загрузка, в которой движется сточная вода снизу вверх; 3 — желоб, в который поступает очищенная вода; 4 — боковой карман для очищенной воды Рис. 18. Блок осветлителя:

1 — осветлитель; 2 — жёлоб;

3 — осадкоуплотнитель Для поглощения растворенных в воде веществ используется процесс адсорбции. Присутствующие в воде в коллоидной или ионной форме примеси, проходя через слой адсорбента, удерживаются на частицах твердого тела за счет межмолекулярного взаимодействия. При отсутствии предварительного осадочного фильтра на адсорбирующем материале будут осаждаться крупные механические примеси, поэтому желательно перед сорбционным фильтром произвести предварительное фильтрование воды осадочным фильтром. Данный метод позволяет достаточно глубоко очистить сточную воду, эффект очистки достигает 80%, но при этом требуется большое количество сорбента. Процесс сорбции осуществляется в адсорберах различного типа (рис. 19). Они представляют собой резервуар, заполненный двухслойной сорбирующей загрузкой из активированного угля. Благодаря своей высокой адсорбционной способности активированный уголь способствует улучшению органолептических показателей воды (вкус, цвет, запах), эффективно удаляет остаточный хлор, растворенные газы, органические соединения. Однако, так как накапливающаяся органика трудно выводится при обратной промывке, то возможен залповый сброс загрязнений в очищаемую среду. Для предотвращения этого засыпка из активированного угля требует периодической замены. В настоящее время во многих водоочистных системах для увеличения ресурса работы применяют активированный уголь из скорлупы кокосовых орехов, адсорбционная способность которого в 4…5 раз выше, чем угля, получаемого традиционными методами (например из древесины лиственных пород).

Рис. 19. Сорбционные фильтры

2.2 Биологические методы очистки и оборудование Биологическая очистка осуществляется в специальных сооружениях с помощью микроорганизмов. Она проводится в естественных и искусственных условиях. В сооружениях для биологической очистки воды формируется биоценоз, т. е. совокупность микроорганизмов, растений и животных, связанных между собой условиями совместной жизнедеятельности. Основную часть биологической массы составляют микробы, генерирующие необходимые ферменты. Биоценоз образуется естественным путем и при изменении внешних факторов способен к саморегулированию. Процессы биологического окисления в живой клетке представляют собой модификацию химических реакций в аэробных и анаэробных условиях.

Анаэробные процессы протекают без участия кислорода при очень высоком уровне загрязнения сточных вод. Они осуществляются в присутствии биологических катализаторов (эндоферменты), находящихся внутри бактериальных клеток — энаэробов.

Анаэробным процессом является метановая ферментация:

CxHyOzN + H2O CH4 + CO + C5H7NO2 + NH4+ + HCO3-,

где CxHyOzN — условная формула органического вещества образующегося в клетках микроорганизмов; C5H7NO2 — условная формула органического вещества загрязнителей, содержащихся в сточных водах.

Процесс брожения глюкозы, сопровождающийся расщеплением сложной молекулы органического вещества на более простые, протекает в анаэробных условиях:

С6Н12О6 = 2С2Н5ОН + 2СО2, = -82 кДж/моль.

Восстановление азотнокислых солей до газообразного азота происходит в результате процессов денитрификации. Эти процессы протекают при отсутствии свободного углерода и вызываются микроорганизмами Thiobacterium denitrificans:

4КNO3 + 5Сорг = 2К2СО3+3СО2 + 2N2,

где Сорг — органическое вещество.

Денитрификация может протекать при отсутствии органического вещества и при наличии серы:

6КNO3 + 5S + 2 CаСО3 = 3К2SO4 + 2CaSO4 + 2CO2 + 3N2.

Распад органических веществ анаэробным путем происходит значительно дольше, чем аэробным.

Аэробные процессы протекают с участием кислорода, к ним относят реакции окисления веществ.

Процесс дыхания микроорганизмов или окисления глюкозы до воды и двуокиси углерода:

С6Н12О6 + 6O2= 6CO2 + 6 H2O, = -2820 кДж/моль.

Процесс окисления солей железа протекает с участием железобактерий, которые развиваются в канализационных и водопроводных трубах и вызывают их закупорку:

4Fe2+ +4H+ + O2= 4 Fe3++ 4 H2O, = - 46 кДж/моль Реакции окисления сероводорода и серы, протекающие в сточных водах вызываются бактериями Beggiatoa alba. Если в среде достаточно сероводорода, то эти бактерии осуществляют следующую реакцию:

2Н2S + О2 = 2Н2О+ 2S, = -272 кДж/моль.

При недостатке сероводорода протекает реакция:

2S + 3О2+2Н2О=2Н2SO4, = -1107 кДж/моль.

Процесс нитрификации сопровождается реакциями окисления аммиака в азотистую кислоту и азотистой кислоты в азотную и протекает в две стадии.

Первая стадия осуществляется нитритными бактериями Nitrosomonas:

2NH3 + 3O2 = 2НNO2 + 2Н2О, = - 663 кДж/моль.

Вторая стадия осуществляется нитратными бактериями Bact nitrobacter:

2НNO2 + O2 = 2НNО3, = - 142 кДж/моль.

Одним из продуктов белкового обмена в живом организме является мочевина. Под влиянием микроорганизмов (в особенности уробактерий) в канализационной сети происходит следующий гидролиз мочевины:

СО (NH2)2 + 2Н2О = (NН4)2CО3.

Этот процесс может происходить в аэробных и анаэробных условиях Углекислый аммоний, как соль слабой кислоты и слабого основания подвержен гидролизу:

(NН4)2CО3+НОН = NH4ОН + NH4HCO3;

NH4ОН = NH3 + H2O

(этим объясняется аммиачный запах в санитарных узлах).

Биохимический распад белков или их производных протекает под влиянием гнилостных бактерий и называется гниением. Процессы гниения могут протекать аэробно и анаэробно. Гниение сопровождается выделением резко пахнущих веществ: аммиака (NH3), сероводорода (H2S), скатола (), индола () и др.:

Уровень загрязненности сточной воды веществами, доступными процессу биологического окисления, определяется биологическим потреблением кислорода (БПК5 и БПКполн). Биологическим потреблением кислорода называется количество кислорода в мг/л или в г/м3, расходуемое микроорганизмами на окисление загрязняющих воду органических примесей. Показатель БПК5 — это количество кислорода, расходуемое на биохимические процессы в течение пяти суток, а БПКполн — количество кислорода, расходуемое на биохимические процессы до наступления реакции нитрификации.

Общее содержание неокисленных химических веществ в сточной воде характеризуется химическим потреблением кислорода (ХПК). Под ХПК подразумевается количество кислорода в мг, необходимое для полного химического окисления всех загрязнений, находящихся в 1 л сточной воды.

Выводы загрязнение гидросфера железнодорожный транспорт Сточные воды пунктов подготовки грузовых вагонов загрязнены тяжелыми минеральными примесями, содержащими остатки минеральных удобрений — растворенные соли, нефтепродукты с ходовых частей, органические соединения растительного и животного происхождения, в которых также присутствуют бактериальные загрязнения. Пункты подготовки, как правило, не имеют оборотного водоснабжения. Это резко увеличивает потребление водных ресурсов.

Сточные воды, поступающие в канализацию, содержат большое количество различных загрязнений. По происхождению загрязнения подразделяются на: минеральные, органические, бактериальные (биологические). К минеральным загрязнениям относят песок, частицы грунта, минеральные масла, соли, кислоты, щелочи. Наибольшую опасность в санитарном отношении представляют органические загрязнения, так как они являются благоприятной средой для развития различных бактерий, в том числе болезнетворных. К ним относятся вещества растительного происхождения (остатки овощей, фруктов, бумага, растительные масла) и животного происхождения (физиологические выделения людей и животных, остатки мускульных и жировых тканей животных), искусственного происхождения (органические кислоты, фенолы, амины, нефтепродукты, клеевые вещества). Бактериальные загрязнения представляют собой живые микроорганизмы, бактерии, вирусы, дрожжевые и плесневые грибки, многие из которых являются болезнетворными.

По размерам загрязняющие вещества, находящиеся в воде, подразделяют на крупные примеси (частицы размером более 0,1 мм до 0,1 мкм), коллоидные частицы (от 0,1 до 0,001 мкм); молекулярно-дисперсные частицы (менее 0,001 мкм).

В зависимости от степени и характера загрязнения применяют механические, химические, физико-химические и биологические методы очистки сточных вод.

1. Киселева, Л. В. Климатология и метеорология на железнодорожном транспорте: учеб. для вузов / Л. В. Киселева, С. В. Васильев, Т. В. Гаранина. — М.: УМК МПС России, 2002. — 189 с.

2. Охрана окружающей среды и экологическая безопасность на железнодорожном транспорте: учеб. пособие / под ред. Н. И. Зубрева, Н. А. Шарповой. — М.: УМК МПС РФ, 1999. — 592 с.

3. Федорова, А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды: учеб. пособие / А. И. Федорова, А. Н. Никольская. — М.: Изд. Центр ВЛАДОС, 2003. — 288 с.

4. Павлова, Е. И. Экология транспорта: учеб. для вузов / Е. И. Павлова. — М.: Транспорт, 2000. — 248 с.

5. Павлова, Е. И. Экология транспорта: учеб. для вузов / Е. И. Павлова, Ю. В. Буралев.- М.: Транспорт, 1998. — 232 с.

6. Коробкин, В. И. Экология: учеб. для студентов вузов / В. И. Коробкин, Л. В. Передельский. — Ростов н/Д.: Феникс, 2000. — 576 с.

7. Дикаревский, В. С. Водоснабжение и водоотведение на железнодорожном транспорте: учеб. для вузов ж.-д. трансп. / В. С. Дикаревский [и др.]. — М.: Издат. группа «Вариант», 1999. — 440 с.

8. Белявский, М. М. Водоснабжение и канализация на железнодорожном транспорте: учеб. для вузов / М. М. Белявский, Е. В. Воронина, В. С. Дикаревский. — М.: Транспорт, 1980 с.

9. http://edu.dvgups.ru/METDOC/ENF/HIMIJ/EKOL/METOD/VRED_VOZD_BIOSF/Murom₆.htmЗагрязнение гидросферы железнодорожным транспортом.