Очистка грунтовых вод, загрязнённых промышленным предприятием

В данной курсовой работе студенты выполняют расчёты и чертежи по одному из 10-ти вариантов предприятия-загрязнителя:

• 1)ТЭЦ;
• 2)котельной;
• 3)завода железо-бетонных изделий;
• 4)участка пайки и лужения;
• 5)гальванического участка;
• 6)сварочного участка;
• 7)предприятия цветной металлургии;
• 8)текстильной фабрики:
• 9)участка покраски;
• 10)автопредприятия.

Все эти предприятия охарактеризованы с точки зрения того, какими компонентами насыщены грунтовые воды в районе промзоны. Студентам предлагается оценить возможность использования подземных вод, обнаруженных в районе предприятия, не только для хозяйственных нужд, но и для питья.

В настоящее время пресные подземные воды в Российской Федерации, как и во многих других странах, играют существенную роль в обеспечении населения питьевой водой. При этом доля подземных вод в хозяйственном водоснабжении возрастает по сравнению с наземными. Однако деятельность промышленных предприятий приводит к тому, что состав подземных вод на окружающей территории необратимо меняется. Следовательно, использование местных подземных вод становится серьёзной проблемой. Задача технолога — минимизировать негативное влияние предприятия на воды в почве, а в тех случаях, когда загрязнение достигло подземных вод, — очистка таких вод становится отдельной задачей.

Во многих случаях для получения паспорта предприятия схема очистки подземных вод является необходимой частью всего производства и систем защиты среды обитания.

Состав и свойства загрязнённых вод.

Многообразие производств, огромное число химических продуктов (исходных, промежуточных, конечных), применяемых и получаемых в технологических процессах, обуславливают образование различных стоков, загрязнённых всевозможными органическими и неорганическими веществами. Во многих случаях воды содержат растворённые газы (сероводород, метан, углекислый газ). Стоки производств просачиваются в почву через неплотности трубопроводов и других коммуникаций на территории предприятия.

Часть загрязняющих веществ смываются осадками с территории предприятия (промзоны), а также с крыш и стен зданий.

Степень вредности вод зависит от токсичности загрязняющих веществ. Очистка от таких примесей, как соли тяжёлых металлов, цианиды, полициклические углеводороды, сероводород и многие другие, является отдельной производственной задачей.

Следует учитывать агрессивность стоков по отношению к материалам трубопроводов, коллекторов и аппаратов очистных сооружений. Речь идёт не только о величине pH, но и о содержании в водах некоторых солей и газообразных продуктов.

Ситуация осложняется также тем, что загрязнённые воды смешиваются в почве с водами, имеющими свой сложный геохимический состав, поэтому очистку вод необходимо планировать с учётом всей сложности суммарного состава почвенных вод.

Движение грунтовых вод в почве.

На территории предприятия в почве образуется пятно загрязнения. В дальнейшем перемещение и расширение пятна водорастворимых загрязнителей в почве зависит, в основном, от характера движения грунтовых вод в этой местности. Изучение движения и состава грунтовых и будет задачей данной работы.

Поверхность грунтовых вод называют уровнем или зеркалом грунтовых вод. Особенности распространения грунтовых вод в пределах изучаемого участка (промзоны) характеризуют с помощью карт гидроизогипс.

Гидроизогипсы — это линии, соединяющие точки одинаковых абсолютных отметок уровня грунтовых вод.

Анализ карт гидроизогипс позволяет получить следующую информацию.

1. Направление движения грунтовых вод в любой точке карты. Движение подземных вод подчиняется законам гравитации.

происходит от участков с более высокими абсолютными отметками к участкам с меньшими отметками по линии, перпендикулярной основному направлению гидроизогипс.

• 2. Характер взаимосвязи подземных вод с поверхностными. Грунтовые воды могут иметь тесную гидравлическую связь с поверхностными водами. Они могут разгружаться, например, в реку, могут питаться за счет поверхностных вод. Если грунтовый поток на карте гидроизогипс направлен к реке, это означает, что грунтовые воды разгружаются в реку, в другом случае (речной паводок, оросительный канал, накопитель сточных вод) поверхностные воды расходуются на питание грунтовых вод и их уровень поднят по отношению к последним. В природе может встречаться ситуация разгрузки и питания подземных вод одновременно.
• 3,Глубина залегания грунтовых вод в любой точке участка. Параметр (h) определяют по разности между абсолютными отметками поверхности земли и уровнем грунтовых вод.
• 4. Гидравлический уклон (градиент) грунтового потока.

Гидравлический уклон (градиент) грунтового потока (I) равен разности абсолютных отметок уровней поверхности в двух точках, выбранных по направлению потока, поделенной на расстояние между этими точками в масштабе карты:

I = (H2 — H1)/ L ,.

Построение карты гидроизогипс.

Масштаб карты зависит от характера проводимых гидрогеологических исследований (обычно 1:10 000, 1:200 000 или более мелкие схематические карты). Для построения карты пользуются данными замеров уровней грунтовых вод в наблюдательных скважинах, шурфах, колодцах, горных выработках, отметками источников, сведениями водомерных постов., Все данные, используемые при построении карты гидроизогипс, должны быть взяты на одну дату, то есть получены по единовременным замерам всех точек наблюдения.

Глубина залегания грунтовых вод в каждой точке замера пересчитывается на абсолютные или относительные отметки:

Hв = Hз-h,.

где Hв — абсолютная отметка уровня грунтовых вод; Hз — абсолютная отметка поверхности земли; h — глубина залегания грунтовых вод. После нанесения на картографическую основу значений картируемого параметра приступают к интерполяции для определения регионального положения значений. Для каждой точки замера значения представляются в виде дроби: в числителе — абсолютная отметка уровня грунтовых вод, в знаменателе — глубина залегания грунтовых вод. Соединяя точки равных значений, проводят изолинии.

Карты гидроизогипс обязательно характеризуются линиями токов. Линии токов проводят так, чтобы они пересекали изолинии только под прямым углом. Направление фильтрации указывается стрелкой. Линии токов проводят в наиболее важных или характерных направлениях.

После построения карты гидроизогипс приступают к выделению зон разных глубин залегания подземных вод. Для этого используются все данные по глубинам залегания грунтовых вод в водопунктах. На источниках (болотах, мочежинах, урезах поверхностных водоемов и водотоков) глубина залегания принимается равной нулю.

По карте гидроизогипс определяют наиболее важные участки территории и строят гидрогеологический разрез. Иногда разрезы могут иметь самостоятельное значение.

Построение гидрогеологических разрезов.

Гидрогеологические разрезы строятся обычно в двух разных масштабах: горизонтальный масштаб определяется масштабом карты, вертикальный масштаб должен обеспечить четкое расчленение элементов разреза по вертикали. Как правило, для среднемасштабных разрезов используют вертикальный масштаб 1:1000 или 1:2000, а для крупномасштабных от 1:100 до 1:500. Ориентировать разрезы следует так, чтобы они проходили через исследуемые водопункты и скважины.

Для построения гидрогеологического разреза необходимо:

гипсометрические отметки поверхности земли по направлению разреза;

геолого-литологические колонки скважин, шурфов и других выработок по линии разреза или вблизи ее;

результаты гидрометрических наблюдений на поверхности по линии разреза (наличие болот, источников, мочежин, отметки уровней воды в реках, озерах и т. д.);

результаты наблюдений за уровнем грунтовых вод (глубина появления и стабилизации уровня);

результаты наблюдений по тем специальным параметрам гидрогеологической обстановки, которые входят в целевое содержание разрезов (дебиты скважин и источников, минерализация или содержание отдельных компонентов, температура, водные свойства водонасыщенных пород).

Разрез строится на миллиметровой бумаге в следующей последовательности.

• 1. Определить положение левого конца разреза и зафиксировать его вертикальной прямой, на которую нанести точку, соответствующую максимальной отметке рельефа поверхности. Разбить прямую на равные интервалы (0,5—1,0 см) по всей высоте разреза, затем нанести на нее значения абсолютных отметок.
• 2. Провести горизонтальную прямую по отметке уровня моря или основания разреза, разбить ее на равные интервалы. Первый слева водопункт нанести, отступив от края разреза на 0,5— 1,0 см, а затем нанести, с учетом масштаба, остальные водопункты.

Построить гипсометрический профиль, нанеся отметки поверхности земли у каждого водопункта.

Скважины, шурфы, колодцы показать вертикальными линиями от поверхности земли до забоя (глубина скважины, шурфа, колодца).

Привести на разрезе данные по составу и свойствам пород в виде литологической и гидрогеологической характеристик (пески, глины, мергели, известняки, техногенные грунты и т. д.). При этом по вертикали отмечают границы распространения типов пород. Соединив точки одних и тех же границ между собой, получают поля распространения пород одного типа. Условным знаком обозначают литологию пород и их возраст.

6. Отметки появления и стабилизации уровня для безнапорных вод фактически совпадают, поэтому, соединив их, получают депрессионную кривую. Для напорных вод подъем уровня указывают вертикальной прямой вдоль ствола скважины и соединяют кривой напора в разных водопунктах. Такая воображаемая кривая не связана с уровнем поверхностных вод и может проходить выше поверхности земли.

Пример гидрогеологического разреза приведён на рис. 1.

Рис. 1. Гидрогеологический разрез (пример).

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Анализ химического состава подземных вод открывает пути для изучения генезиса, пригодности для различных потребителей, определения уровня их агрессивности для бетонных и металлических конструкций. Результаты химических анализов воды могут быть выражены в весовой, эквивалентной и процент-эквивалентной формах.

Весовая форма — представление ионно-солевого состава воды в миллиграммах (граммах) в 1 дм³ или 1 кг воды. В зарубежной литературе результаты анализа могут быть приведены в частях на миллион (ррm), что соответствует концентрации мг/дм3. Эквивалентная форма записи состава вод позволяет определить соотношение между ионами с точки зрения их способности участвовать в химических реакциях, оценить качество анализа, установить генезис вод. В расчетах используется форма записи: мг/дм3.

При выражении содержания какого-либо иона в эквивалентной форме перед символом иона ставится знак г, например, гСа2+, гНСО3- и т. д. На основе эквивалентной формы выражения состава можно определить погрешность анализа воды. Эта оценка основана на принципе электронейтральности раствора: сумма концентраций катионов (мг-экв/дм3) равна сумме концентраций анионов. Анализ воды считается удовлетворительным, если погрешность определения менее 5%.

Процент-эквивалентная форма показывает относительную долю участия того или иного иона в формировании ионно-солевого состава воды. Для вычисления процентного содержания анионов (катионов) их сумму принимают за 100% и рассчитывают процент содержания каждого аниона (катиона) по отношению к их сумме. Процент-эквивалентная форма позволяет устанавливать черты сходства вод, различающихся по минерализации.

Минерализация воды (М) — это сумма минеральных веществ в граммах или миллиграммах, содержащихся в 1 дм³ воды. Для определения М суммируют содержание всех ионов, определенных химическим анализом и выраженных в весовой форме.

Жесткость воды определяется содержанием в ней солей Са2+ и .Mg2*. Различают: общую, карбонатную, временную (устранимую), некарбонатную, неустранимую (постоянную) жесткости.

Общая жесткость ЖО определяется как сумма мг-экв ионов Са2+ и Mg2+ в 1 дм³ воды и слагается из карбонатной ЖК и некарбонатной ЖНК жесткости:

ЖО = ЖК + ЖНК ,.

ЖО = Ca2+ + Mg2+ .

Оценка агрессивности подземных вод. Агрессивность воды связана с присутствием в ней ионов водорода, свободного диоксида углерода, сульфатов и магния. Агрессивные свойства воды проявляются по отношению к бетону и металлам.

Агрессивность воды по отношению к бетону выражается в разрушительном воздействии подземных вод определенного состава на бетонные сооружения. Оценка качества воды по отношению к бетону производится по нормам и техническим условиям Н 114−54 «Бетон гидротехнический. Признаки и нормы агрессивности воды-среды». Эти нормы учитывают воздействие на бетон следующих видов агрессивности: выщелачивающую, углекислую, общекислотную, сульфатную и магнезиальную.

• 1. Выщелачивающая агрессивность связана с выщелачиванием карбонатов, главным образом кальция. Если вода, контактирующая с бетоном, содержит низкие концентрации Са2+, а также (HCO3) — и (СOз)2-, то карбонат кальция бетона переходит в раствор. В зависимости от типа цемента в составе бетона вода считается агрессивной при карбонатной жесткости меньшей 0,54 -2,14 мг-экв/дм3 .
• 2. Углекислотная агрессивность обусловлена высокими концентрациями растворенной в воде углекислоты CO2. Эта агрессивность проявляется как в отношении металла (коррозия), так и бетона. Разрушение бетона, как и при выщелачивающей агрессивности, сводится к растворению карбоната кальция. Воды, обладающие карбонатной жесткостью менее 1,4 мг-экв/дм3, следует считать агрессивными, независимо от всех других показателей.
• 3. Общекислотная агрессивность воды связана с повышенной концентрацией водорода (пониженная величина рН). При этом бетон разрушается из-за растворения в кислой среде защитной карбонатной корки. Вода считается агрессивной для всех типов цементов: при рН < 7, если карбонатная жесткость меньше 8,6 мг-экв/дм3; при рН < 6,7, если карбонатная жесткость больше 8,6 мг-экв/дм3 (в пластах высокой проводимости). Для слабопроницаемых пластов вода считается агрессивной при рН<5.
• 4. Сульфатная агрессивность обусловлена присутствием в воде иона (SO4)2-. Этот вид агрессивности проявляется в кристаллизации в бетоне новых соединений и выщелачивании бетона. По сульфатной агрессивности для обычных цементов воду относят к слабоагрессивной при содержании иона (SO4)2- от 250 до 800 мг/дм3 и к агрессивной при содержании более 800 мг/дм3. В породах высокой проводимости для бетона на портландцементе вода считается агрессивной при следующих попарных содержаниях ионов (в мг/дм3):

Сl-0−30 003 001−50 005 000.

(SO4)2- 250−500 501−10 001 000.

В породах слабой водопроводимости вода считается агрессивной при содержании иона (SO4)2- > 1000 мг/дм3, а для бетонов на пуццолановом, шлаковом и песчано-пуццолановом портландцементе — при содержании иона (SO4)2- > 4000 мг/дм3, независимо от содержания С1-.

1. Магнезиальная агрессивность вызывает разрушение и вспучивание бетонных конструкций. Для портландцемента, находящегося в сильно проницаемых породах, вода считается агрессивной при содержании иона Mg2+ > 5000 мг/дм3, для других видов цемента — при содержании ионов Mg2+ и (SO4)2-, превышающем следующие попарные соединения ионов (в мг/дм3): (SO4)2- 0−1000 1001−2000 2001;3000 3001−4000.

Mg2+ 5000 3001−5000 2001;3000 1000−2000.

Агрессивность воды по отношению к металлу связана с корродирующей способностью вод. Агрессивными по отношению к металлу являются воды: углекислые; сероводородные кислые; обогащенные кислородом. Корродирующая способность воды может быть определена при помощи коэффициента коррозии: — для вод с кислой реакцией КK = гН+ + гА13+ + rFe2+ +.

+ rMg2± r (CO3)2— - r (HCO3)-;

— для щелочных вод По величине коэффициента коррозии различают следующие группы вод (содержание Са2+ в мг/дм3):

коррозирующие, КK > 0;

полукоррозирующие, КK 0;

некоррозирующие, КK + 0,05Са2+ < 0.

Очистка загрязнённых вод.

Наличие в почве загрязнённых вод приводит к необходимости очистки вод, разгружаемых через скважины. Схема реагентной очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов с отделением осадков показана на рис. 2. Недостатком такой очистки является образование большого количества труднообезвоживаемого шлама. Кроме того, очищенная вода содержит большое количество солей кальция, поэтому ее трудно использовать в оборотном водоснабжении. Исходя из этого, предложено обрабатывать слив после отстаивания последовательно хлоридом кальция и содой. При этом происходит осаждение карбонатов металлов с карбонатом кальция. Образующиеся кристаллические осадки карбонатов металлов имеют незначительный объем и легко обезвоживаются. Одновременно происходит умягчение воды слива, что создает возможность использования ее в системе оборотного водоснабжения. Количества щелочных реагентов рассчитывают с использованием табл. 1.4 [1]. Для удаления ионов ртути применяют Na2 S (двукратный избыток от стехиометрического соотношения), для устранения Fприменяют «известковое молоко» (Ca (OH)2). Для удаления Mn2+ применяют KMnO4 (2:1, по весу). При pH<6 применяют щелочные агенты (CaO, Ca (OH)2, Na2CO3, NaOH).

Рис. 2. Схема реагентной очистки загрязнённых вод от ионов тяжёлых металлов.

ЗАДАЧА 1. В долине реки пробурено в створе пять скважин. Скважины 2, 3, 4 располагаются на первой надпойменной террасе. Построить гидрогеологический разрез по данным разведочного бурения и наблюдения за подземными водами. Привести по разрезу характеристику водоносных горизонтов, определить условия их залегания, выяснить положения и источники питания, описать участки и характер дренирования, связь с поверхностными водами и взаимосвязь между водоносными горизонтами. Масштабы: вертикальный 1:200, горизонтальный 1:2000. Описание разрезов по скважинам для вариантов № 1—10 в табл. 5.2 [1]. Расчетные данные приведены в табл. 5.4 [1].

ЗАДАЧА 2. Построить карту гидроизогипс по топографической основе, приведенной на рис. 3. Высотные отметки 20 скважин и четырех шурфов, а также глубина залегания подземных вод в них приведены в табл. 5.5 [1]. Выполнить анализ построенных карт гидроизогипс: показать направление движения грунтовых вод стрелками; определить гидравлический уклон (градиент) потока грунтовых вод в местах максимального (в пределах карты) уклона; определить глубину залегания грунтовых вод в постах наблюдения.

загрязнённый вода гидрогеологический очистка.

Рис. 3. Топографическая основа для построения карты гидроизогипс:

1-скважина (и №); 2-шурф (и №); 3-источник; 4-загрязняющий объект; 5-горизонталь рельефа (и абсолютная отметка).

ЗАДАЧА 3. Обработать результаты химического анализа воды, приведенные в табл. 5.6 [1], выраженные в весовой форме.

Указания к заданию:

Обработку анализа выполнить в следующей последовательности:

• 1. Перевести анализ воды из весовой в эквивалентную и процент-эквивалентную формы (см. табл. 5.1 [1]).
• 2. Вычислить погрешность анализа по формуле:

• 3. Определить минерализацию воды.
• 4. Вычислить жесткость воды.
• 5. Оценить пригодность воды для питья.

6.Оценить агрессивность воды по отношению к бетонным и металлическим конструкциям.

ЗАДАЧА 4. Рассчитать массу реагентов, необходимых для удаления из воды ионов тяжёлых металлов и других вредных компонентов. Расчёт вести на 1000 м³ загрязнённой воды.

• 1. Инженерная защита окружающей среды.- СПб.: Лань.-2002. С. 22, 199−205
• 2. Гавич И. К, Лучшева А. А., Семенова-Ерофеева С. М. Сборник задач по общей гидрогеологии. М.: Недра, 1985.
• 3. Зекцер И. С. Подземные воды как компонент окружающей среды.-М.: Научный Мир-2001.
• 4. Основы гидрогеологии. Гидрогеодинамика/Под ред. И. С. Зекцера. Новосибирск: Наука, 1983.
• 5. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия/Под ред. С. Л. Шварцева. Новосибирск: Наука, 1982.
• 6. Павлов А. Н. Геологический круговорот воды на Земле. Л.: Недра, 1997.
• 7. Петров Н. С, Потапов А. А. Общая гидрогеология. СПб.: ГГИ (ТУ), 1993.
• 8. Проскуряков В. А., Шмидт Л. И. Очистка сточных вод в химической промышленности. — Л.: Химия, 1977.
• 9. Родионов А. И., Клушин В. Н., Систер В. Г. Технологические процессы экологической безопасности. — Калуга: Изд-во Н. Бочкарёвой. -2000.