Подземные воды меловых отложений Туранской плиты и перспективы их использования

низкая платежеспособность определенной категории населения;

недостаток инвестиций в строительство  и реконструкцию и восстановительные работы систем водоснабжения;

недостаточное использование разведанных  месторождений подземных вод;

отсутствие в некоторых населенных пунктах региона источников питьевого  водоснабжения.

1.2 Проблемы загрязнения  воды 

Проблемы экологии в настоящее  время приобрели исключительную остроту. Научно-технический прогресс привел к высоким темпам развития промышленности и сельского хозяйства, что, в свою очередь, отразилось на уровне загрязнения окружающей среды. На глазах всего одного поколения произошло  резкое ухудшение экологической  обстановки практически на всех континентах  нашей планеты, снизилось качество природной воды. Естественные процессы самоочищения, происходящие в природе, давно перестали быть доминирующими. Прогрессирующие темпы загрязнения  окружающей среды уже привели  к катастрофическим последствиям в  ряде регионов мира, в том числе  и в нашей стране.

В последнее время в сферу  производства вовлекаются огромные массы материалов и природных  ресурсов, сопоставимые с масштабами процессов в природе. Так, за один день население Земли для всех видов хозяйственной деятельности использует столько воды, сколько  оно добывает за год всех полезных ископаемых - 7,5 млрд. тонн. В процессе использования воды и в результате обмена ее с атмосферой в нее попадают различные вещества. Воды, побывавшие в употреблении и загрязненные различными веществами, называют сточными. Сточные  воды, попадая в водные бассейны, загрязняют их. Именно в этом заключается  основная причина истощения водных ресурсов.

Все загрязняющие вещества, попадающие в водную среду, по их поведению, характеру  превращения и экологическому воздействию  можно разделить условно на следующие  группы:

1) неорганические вещества, в первую  очередь соединения тяжелых металлов  и переходных металлов, радиоактивные  вещества.

2) нефть и нефтепродукты;

3) обширный комплекс органических  веществ, среди которых следует  особо отметить получаемые искусственным  путем пестициды и детергенты;

В результате протекания естественных геохимических процессов и производственной деятельности человека в атмосферу  и в водные бассейны попадают в  различных формах металлы и среди  них тяжелые металлы. Преобладающее  количество свинца и ртути попадают в водные бассейны из атмосферы. Эти  металлы относятся к группе глобальных загрязнителей. Из сопоставления скоростей  поступления металлов в океан  и скоростей выпадения их в  осадки видно, что в водах океанов  в настоящее время идет накопление не только свинца и ртути, но также  цинка, меди, кадмия и кобальта. Значительно  повысилось содержание сурьмы, хрома, марганца и железа.

Для нормального развития организма  очень важно наличие в окружающей среде необходимого набора элементов  и присутствие их в определенных количественных соотношениях. Когда  эти оптимальные соотношения  нарушены, металлы начинают действовать  как токсиканты, угнетая или подавляя те функции в организме, которые они стимулируют, будучи в малых количествах.

Наглядным примером является медь. Отсутствие меди (II) в пище приводит к развитию анемии, или дефициту железа, поскольку  медь используется в организме наряду с железом в некоторых метаболических процессах. Минимальная потребность  человеческого организма в меди составляет около 2 мг в день. Но потребление  меди в больших количествах (50 мг) может вызвать рвоту и другие болезненные явления.

Действие определенной концентрации какого-либо металла в сочетании  с незначительным количеством другого  может быть в несколько раз  сильнее (синергизм). Например, никель сравнительно мало токсичен, но если он попадает в воду, где присутствуют следы меди, его токсичность увеличивается в 10 раз.

Большое значение имеют и формы  нахождения металлов в природной  воде. Например, медь в ионной форме  вредна для фотосинтеза и роста одноклеточных даже при обычной концентрации, но в органических комплексах или коллоидах - безвредна.

Многие загрязнители способны накапливаться  в организмах (биологическое накопление). Как CH₃Hg⁺, так и (CH₃)₂Hg способны накапливаться в растениях и организмах рыб. В рыбе концентрация ртути, да и других металлов, может быть в 1000 раз выше, чем в воде. В организме людей, питающихся отравленной ртутью рыбой, через определенный период времени накапливается слишком высокий уровень содержания ртути.

Нефтедобыча, транспортировка, нефтепереработка, потребление нефтяного топлива  являются одними из главных источников загрязнения природных вод.

Присутствие нефтяной пленки и нефтепродуктов на поверхности водоемов оказывает  отрицательное воздействие на водную растительность и население водного  бассейна, вызывает массовую гибель моллюсков, рыб, морских животных и птиц. Нефтедобывающие  и нефтехимические производства загрязняют используемую воду большим  количеством различных веществ. Сточные воды этих предприятий содержат фенолы, альдегиды, метанол, диметилформамид, карбоновые кислоты, бензол, пиридиновые соединения, различные масла, взвешенные частицы, соли тяжелых металлов.

Такой химический состав сточных вод  определяет свойства и характер возможного воздействия на водоемы. В первую очередь, оно может проявляться  в поглощении кислорода на окисление  органических веществ; в изменении  органолептических свойств воды; в образовании донных полимерных отложений; в токсическом воздействии  на флору и фауну водоемов. Углеводороды нефти, в отличие от многих других веществ, способны проникать в жировую  ткань водных организмов и накапливаться в ней без контакта с нефтеокисляющими бактериями, а затем попадать в продукты питания человека.

Среди продуктов химического производства, входящих в состав сточных вод, особое место занимают детергенты -синтетические моющие средства (СПАВ). Они оказывают отрицательное воздействие на внешний вид водоемов и здоровье гидробионтов. Все детергенты обладают способностью образовывать стойкую пену. Физические свойства СПАВ позволяют им легко переходить в почвенные слои, увлекая за собой различные загрязнители, содержащиеся в сточных водах. Вследствие этого обнаружение СПАВ в подземных водах является индикатором загрязнения последних.

Попадая в природные воды, СПАВ сорбируются взвешенными частицами и оседают на дно водоемов, где создают вторичные очаги загрязнения. Кроме того, присутствие поверхностно-активных веществ вызывает нарушение работы всего комплекса очистных сооружений (образование пены, снижение эффективности отстаивания, торможение биохимических процессов).

Серьезную проблему вызывает и рост масштабов производства пестицидов. Синтез пестицидов сопряжен с образованием значительного количества сильно загрязненных вод, содержащих помимо высоких концентраций минеральных веществ, повышенные количества органических примесей и фосфорорганических ядов. Так, эти пестициды или продукты их превращения, часто не менее токсичные, поступают в коллекторные, грунтовые  воды и открытые бассейны, накапливаясь в них. Они вызывают гибель многих микроорганизмов и обитателей вод. Вместе с тем, следуя биологическим  законам трофической цепи, токсичные  вещества поступают с питьевой водой  и пищей в организм человека, аккумулируются в нем и вызывают тяжелые заболевания. Потенциальная опасность загрязнения  воды пестицидами в значительной степени зависит от их химической природы и устойчивости. Если их дезактивация, протекающая под влиянием биологических и физико-химических факторов, завершается в течение  нескольких недель после применения, то такие ядохимикаты не представляют существенной опасности. Однако, многие используемые в настоящее время пестициды являются достаточно стойкими соединениями. К ним, в первую очередь, относятся азот- и хлорсодержащие гербициды и фунгициды. Поэтому разработка новых высокоэффективных способов дезактивации таких препаратов играет особую роль в решении проблемы защиты водных ресурсов от загрязнения.

Таким образом, вклад органических веществ в загрязнение водной среды огромен. Проблема осложняется  многообразием этих загрязнителей, даже их детальный анализ представляет весьма сложную, иногда трудноразрешимую задачу. Вместе с тем известно, что  в результате биохимических превращений, протекающих в водных экосистемах  под влиянием комплекса микроорганизмов, значительная часть органических веществ, при этом в воде образуются относительно биохимически устойчивые гуминоподобные соединения.

Полная количественная и качественная характеристика органических веществ, содержащихся в водном объекте, практически  недоступна. Как правило, приходится оценивать лишь суммарное содержание органических веществ в воде по таким показателям, как общее содержание углерода органических соединений (обычно называемое "общим органическим углеродом" - ООУ) или "химическое поглощение кислорода" - ХПК Количественное описание обычно базируется на подходе, при котором реальная смесь многих веществ, находящихся почти в постоянных соотношениях, заменяется неким одним условным веществом, поведение которого исследуется и описывается.  

1.3 Сущность процесса  фильтрования воды 

В подавляющем большинстве технологических  схем водоподготовки завершающим процессом  является фильтрование, в ходе которого из воды извлекаются не только дисперсии, но и коллоиды. В этом состоит  отличие метода фильтрования от всех методов предварительной очистки  воды.

Сущность метода заключается в  фильтровании обрабатываемой воды, содержащей примеси, через фильтрующий материал, проницаемый для жидкости и непроницаемый  для твердых частиц.

Водоочистные сооружения, на которых  осуществляется процесс фильтрования, называют фильтрами. Фильтры по виду фильтрующей среды делят на тканевые или сетчатые, каркасные или намывные (диатомовые), зернистые (песчаные, керамзитовые и др.). Из вышеперечисленных трех групп фильтров наиболее значительной является последняя.

Фильтры с зернистой загрузкой  можно классифицировать по ряду основных признаков:

1) по скорости фильтрования - медленные  (0,1...0,3 м/ч), скорые (5...12 м/ч) и сверхскоростные  (36...100 м/ч);

2) по давлению, под которым они  работают - открытые (или безнапорные)  и напорные;

3) по направлению фильтрующего  потока - однопоточные, двухпоточные, многопоточные;

4) по крупности фильтрующего  материала - мелко-, средне- и крупнозернистые;

5) по количеству фильтрующих  слоев - одно-, двух- и многослойные.

Устройство открытого скорого  фильтра показано на рисунке 1.

Прошедшая предочистку вода поступает в боковой карман, а из него - в резервуар фильтра. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе фильтрования вода проходит фильтрующий и поддерживающие слои, а затем поступает в распределительную систему и далее в резервуар чистой воды. Максимальная потеря напора в фильтрующей загрузке допускается 3...3,5 м. Во время промывки фильтра промывная вода подается в распределительную систему и далее снизу вверх в фильтрующий слой, который она расширяет (взвешивает). Дойдя до верхней кромки промывных желобов, промывная вода вместе с вымытыми ею из фильтрующего слоя загрязнениями переливается в желоба, а из них в боковой карман и отводится на сооружения оборота промывной воды.

Поддерживающий слой высотой 0,45...0,55 м с крупностью зерен 2...40 мм, на котором  лежит фильтрующая загрузка, укладывают для того, чтобы мелкий фильтрующий  материал не вымывался из фильтрующего слоя и не уносился вместе с фильтруемой  водой через отверстия распределительной  системы.

Распределительная (дренажная) система  является важным элементом фильтра. Она должна собирать и отводить профильтрованную воду без выноса зерен фильтрующего материала и при промывке равномерно распределять промывную воду по площади  фильтра.

Промывка скорых фильтров производится обратным током профильтрованной воды путем ее подачи под напором в  поддонное пространство или в  дренажную трубчатую систему. Промывная  вода, проходя со скоростью в 7...10 раз большей, чем скорость фильтрования, через фильтрующую загрузку снизу  вверх, поднимает и взвешивает ее. Зерна расширившегося фильтрующего материала, хаотично двигаясь, соударяются  друг с другом, при этом налипшие на них загрязнения оттираются и  попадают в промывную воду, которая  собирается и удаляется сборными желобами, расположенными над поверхностью фильтрующей загрузки, в водосток.

1.4 Теоретические основы очистки  воды фильтрованием через зернистые  материалы

Из известных теорий процесса очистки  воды фильтрованием наибольшее признание  получила теория Д.М.Минца, которая экспериментально подтверждена и внедрена. На основе этой теории разработана методика технологического анализа процесса фильтрации, позволяющая определять параметры процесса и использовать их для оптимизации режима работы фильтровальных сооружений.

Согласно теории Д.М. Минца, при движении воды, содержащей взвешенные вещества, через зернистую загрузку фильтровальных аппаратов последние задерживаются загрузкой и вода осветляется.

Осветление воды в каждом элементарном слое загрузки происходит до тех пор, пока интенсивность прилипания частиц превышает интенсивность их отрыва. По мере накопления осадка интенсивность  отрыва частиц увеличивается. Кинетика прилипания и отрыва частиц определяет ход процесса осветления воды по толщине  слоя фильтрующей загрузки и во времени (рисунок 2, где показаны кривые изменения  концентрации взвеси в воде по высоте загрузки). Каждая кривая относится  к определенному моменту времени. Кривая 1 характерна для начального периода процесса после того, как  первые порции фильтруемой воды пройдут  через слой загрузки, а кривая 4 - предельному насыщению загрузки осадком. Кривая 1 показывает, как изменяется концентрация взвеси в воде по высоте загрузки толщиной х₀ только под действием сил прилипания.