Текст книги "Инженерная геоэкология"

3.13. Наблюдения и работы по изучению наносов

Речные наносы – это твердые частицы минерального и органического происхождения, переносимые движущейся водой и формирующие русла и поймы рек, дно озер и водохранилищ.

В зависимости от крупности частиц наносы подразделяют на семь основных фракций: глина, ил, пыль, песок, гравий, галька и валуны. Внутри фракций выделяют еще три подфракции: мелкую, среднюю и крупную.

При изучении наносов в практической работе применяют понятие «гидравлическая крупность», т. е. скорость оседания (погружения) частицы в спокойной воде. Гидравлическая крупность существенно зависит от формы частиц (для частиц диаметром более 0,05 мм) и температуры воды.

По характеру перемещения в потоке наносы разделяют на взвешенные и донные.

Взвешенные наносы – это частицы, перемещающиеся вместе с массой заключающей их воды во взвешенном состоянии. Они формируются за счет наиболее мелких фракций, крупность которых постепенно увеличивается по мере приближения ко дну. Характеристикой количественного распределения взвешенных наносов в потоке является мутность воды, т. е. содержание массы наносов в единице объема смеси воды с наносами; она выражается в г/м³. Мутность воды увеличивается от поверхности ко дну потока. Характер этого изменения наиболее выражен при крупнофракционном составе наносов. Мутность неравномерно распределяется и по ширине реки. Особенно резкие изменения мутности наблюдаются на участках рек, подверженных интенсивному размыву.

К донным наносам относятся частицы, перемещаемые потоком в придонном слое путем скольжения, перекатывания и скачкообразно. Характер движения существенно зависит от скорости течения и турбулентностн потока, а также от формы, размеров и массы частиц. Движение скольжением наиболее характерно для частиц плоской формы при скоростях течения, незначительно превышающих скорость сдвига частицы. Увеличение скорости приводит к тому, что частицы независимо от формы начинают перекатываться, периодически поднимаясь и снова осаждаясь на дно. Скачкообразно перемещаются обычно частицы с гидравлической крупностью, близкой к максимальным значениям вертикальной составляющей пульсации скоростей течения в придонном слое. Скачкообразное перемещение частиц является основным видом движения донных наносов. В пробах воды на мутность часто встречаются довольно крупные фракции, характерные при данной гидравлике потока для донных наносов, и наоборот: донные наносы содержат мелкие частицы.

Наносы, формирующие ложе потока и находящиеся в данный момент в состоянии покоя, называются донными отложениями. Донные отложения подвергаются постоянному воздействию потока.

Количество наносов, проходящих через фиксированный створ водотока за тот или иной промежуток времени (сутки, декада, месяц, сезон, год), называется стоком наносов за этот период и вычисляется в тоннах массы. Распределение стока наносов в течение года очень неравномерно. Наибольшее количество наносов выносится реками во время паводков и половодий. На некоторых реках доля наносов, приходящаяся на периоды весеннего половодья, достигает 95 %. В многоводные годы сток наносов может быть в 20–30 раз выше нормы. На малых равнинных и горных реках часто наблюдается внутрисуточное изменение стока наносов, связанное с внутрисуточным колебанием уровней и расходов воды.

Основным методом определения стока наносов служит измерение расходов взвешенных и влекомых наносов и последующее установление связи их количества с гидравлическими характеристиками потока и ежедневными мутностями воды. Качественная оценка наносов осуществляется на основании гранулометрического анализа и лабораторных исследований их физических свойств.

Сведения о количестве, составе и режиме наносов используются при решении практических задач, связанных с правильными размещением и эксплуатацией гидротехнических сооружений, прогнозом заиления прудов и водохранилищ, выбором оптимальных вариантов работ по выправлению русла и дна реки, использованием воды для водоснабжения и орошения и при оценке экологических характеристик водных потоков.

Расходом взвешенных наносов называется масса взвешенных наносов, проносимых потоком через живое сечение в одну секунду; обозначается P_s и выражается в кг/с.

Расход взвешенных наносов связан с расходом воды Q и мутностью S_ср зависимостью:

Количество измерений расходов взвешенных наносов в течение года определяется в зависимости от режима и изученности стока наносов на данном участке реки.

Единичные пробы воды на мутность отбираются ежедневно один, два или несколько раз в сутки – в зависимости от изменения мутности. При назначении частоты и сроков наблюдений исходят из необходимости достаточно точного определения среднего суточного значения мутности. В связи с этим при неизменности мутности воды или ее плавном изменении (межень, половодье на крупных реках и т. п.) обычно ограничиваются одноразовым отбором единичной пробы в утренний срок наблюдения за уровнем воды, а при более выраженных изменениях – двухразовыми наблюдениями (в 08 и 20 часов).

При работе большое значение имеет правильный выбор места отбора единичных проб. Основным критерием при этом служит устойчивость связи между значениями мутности единичной пробы и средней мутности потока. В связи с этим лучше всего производить отбор проб на репрезентативной (показательной) вертикали, по измерениям мутности на которой определяются расходы взвешенных наносов сокращенным способом. Отступление от этого возможно только при значительной удаленности гидрометрического створа от гидрологического поста. В этом случае вертикаль для отбора единичных проб назначается в стрежневой части потока в районе гидрологического поста. Необходимо строго соблюдать постоянство места отбора проб. Исключение из этого правила допускается только в случае, если выход на стрежневую вертикаль невозможен (ледоход, лесосплав и т. п.).

Существует два способа отбора проб: одноточечный (0,6h) и двухточечный (0,2h и 0,8h), или интеграционный. Для надежного определения мутности необходимо, чтобы в пробе воды содержалось не менее 0,1 г наносов. В соответствии с этим объем пробы должен составлять при мутности 100 г/м³ – не менее 1 л, при мутности 50 г/м³ – не менее 2 л и т. д. При малых мутностях потока, чтобы не увеличивать объем проб, отбираемых в отдельных точках, их объединяют. Так, например, если единичная проба воды отбирается в двух точках по вертикали, то при мутности менее 100 г/м³ рекомендуется обе пробы объединить и обрабатывать вместе. Контрольные единичные пробы воды на мутность отбираются во время измерения расходов взвешенных наносов в том же месте и тем же способом, которые установлены для отбора единичных проб. В начальный период изучения стока наносов на гидрологическом посту эти данные используются для установления связи между единичной и средней мутностью потока, а в дальнейшем – для контроля и уточнения этой связи.

Приборы для отбора проб воды на мутность называются батометрами. К ним относятся: батометр-бутылка на штанге (ГР-16, ГР-16М), батометр-бутылка в грузе (ГР-15) и вакуумный батометр (ГР-61). Это батометры длительного наполнения, позволяющие получать усредненные значения мутности воды во времени.

Батометр-бутылка предназначен для отбора проб на мутность в отдельных точках вертикали или интеграционным способом. Он представляет собой литровую бутылку с металлической пробкой-головкой, в которую вмонтированы водозаборная и воздухоотводная трубки. При отборе проб воды батометр устанавливается на заданную глубину с помощью штанги или лебедки: в первом случае он вставляется в специальную обойму, закрепленную на штанге под углом 25° или горизонтально, во втором – помещается в полый груз рыбовидной формы.

Крепление батометра на штанге под углом и горизонту дает возможность отбирать пробы воды в потоках глубиной от 0,5 до 2,5 м при скоростях течения до 1,5–2,5 м/с. Горизонтальное расположение батометра-бутылки в обойме позволяет отбирать пробы в 10 см от дна; в связи с лучшей обтекаемостью и наличием хвостового оперения измерение можно выполнять при скоростях течения до 3,0 м/с.

При горизонтальном расположении батометра (батометр-бутылка в грузе и батометр ГР-16М) в потоках со скоростями менее 0,5 м/с бутылка полностью водой не заполняется.

Точность определения мутности батометром-бутылкой зависит от соотношения скорости течения в точке отбора пробы и скорости движения воды в водозаборной трубке.

Вакуумный батометр применяется для взятия проб точечным способом. Прибор состоит из трех основных частей: вакуумной камеры, вакуумного ручного насоса и водозаборного наконечника.

Вакуумная камера служит емкостью для пробы воды. Батометры выпускаются с вакуумными камерами рабочим объемом 1 и 3 л. С двумя другими узлами вакуумная камера соединяется резиновыми шлангами, вводы для которых находятся в верхней части камеры и оборудованы кранами. В носике воронки батометра имеется кран для слива пробы. Четвертый кран, расположенный в верхней части камеры, предназначен для компенсации вакуума воздухом после окончания отбора пробы. Смотровая щель, проходящая вдоль образующей штанги цилиндрической части камеры, позволяет вести визуальный контроль за ее заполнением, отсчитывать объемы пробы по шкалам, расположенным слева и справа от смотровой щели.

При отсутствии в комплекте батометра вакуумного манометра глубина вакуума при отборе пробы контролируется по расходу поступления воды в камеру, который зависит от скорости течения. Вакуумный батометр применяется при скоростях течения от 0,2 до 3,5 м/с. Высота установки вакуумной камеры над поверхностью воды при отборе пробы не должна превышать 3–4 м. Вакуумный батометр неприменим в высокогорных районах с высотой над уровнем моря более 2000 м.

При отсутствии или повреждении батометра для отбора проб воды на мутность может быть использована литровая бутылка с широким или узким горлом. Как на штанге, так и на грузе бутылка вставляется в наклонную обойму под углом 25° к горизонту. К пробке бутылки крепится шнур, с помощью которого пробка выдергивается после установки бутылки в точке отбора пробы. Для определения объема пробы воды на верхней части бутылки (начиная с объема 800 мл) наносится шкала с ценой деления 20 мл.

Переливая пробу из батометра или заменяющей его бутылки, необходимо следить, чтобы на их стенках не оставалось твердых частиц. Бутылки, в которые переливаются пробы, должны быть пронумерованы и тщательно вымыты.

Количество взвешенных наносов в пробе воды определяется по разнице между результатами взвешивания фильтра до и после выделения на него наносов. Для фильтрования применяются специальные фильтры диаметром 11–13 см.

Взвешивание фильтров производится на аналитических весах с погрешностью 0,0001 г. Как чистые фильтры, так и фильтры с наносами предварительно тщательно высушиваются в термостате в течение нескольких часов при температуре 105–110 °C до полного удаления из них гигроскопической влаги.

При необходимости определения в наносах содержания органических веществ взвешенные фильтры с наносами сжигаются в специальных тиглях в муфельной печи. Разница массы тигля с золой и пустого тигля равняется массе минеральной части наносов, а вычтя последнюю из массы наносов до сжигания, получим количество содержащихся в наносах органических веществ.

Фильтрование проб наносов выполняется на гидрологическом посту, все остальные операции – в лаборатории гидрологической станции или обсерватории.

Наиболее распространены следующие способы фильтрования: а) автоматическое фильтрование; б) фильтрование после предварительного отстоя наносов; в) ускоренное фильтрование под давлением. При наличии в пробе очень мелких наносов перед фильтрованием в нее рекомендуется добавлять хлористый кальций, под действием которого мелкие частицы образуют хлопья.

Автоматическое фильтрование выполняется в следующем порядке. На горлышко бутылки с пробой надевается резиновая трубка соответствующего диаметра. Зажав трубку зажимом, бутылку опрокидывают над воронкой с фильтром, вставленной в емкость для сбора отфильтрованной воды. В таком положении бутылку с пробкой укрепляют в специальном гнезде деревянной полки. Ослабляя зажим трубки, заполняют воронку водой настолько, чтобы ее уровень достиг конца трубки и в то же время располагался ниже края фильтра приблизительно на 1 см. Это достигается подбором соответствующей длины трубки. После этого зажим снимается, так как далее в воронке уровень воды будет поддерживаться автоматически до тех пор, пока не профильтруется вся проба. Так обычно фильтруются пробы объемом до 1 л.

Фильтрование после предварительного отстоя наносов применяется при малой мутности и пробах большого объема. Продолжительность отстоя в сутках t определяется по формуле:

где h – высота слоя воды в сосуде, см; K_t – коэффициент, учитывающий изменение скорости осаждения частиц диаметром менее 0,05 мм в зависимости от температуры. Добавление осадителя уменьшает время отстоя в 2–3 раза. После отстоя осветленная вода удаляется с помощью сифона, а остаток, объем которого должен составлять не более 1 л, подвергается автоматическому фильтрованию.

Ускоренное фильтрование под давлением производится фильтровальным прибором Куприна (ГР-60). Прибор представляет собой цилиндрическую камеру емкостью 1 л, шарнирно соединенную с помощью зажима с воронкообразным основанием. Сверху воронка прикрыта сеткой с мелкой ячеей, на которую укладывается фильтр. В верхнюю крышку камеры вмонтирован резиновый шланг, к другому концу которого присоединяется насос. На время заливки воды в камеру крышка снимается, а потом плотно закрывается.

При исследовании наносов используются меченые твердые частицы, а также приборы, основанные на принципе регистрации частоты и энергии удара частиц наносов.

Батометр-сетка применяется для измерения расходов донных наносов преимущественно на горных реках, представляет собой прямоугольную металлическую раму шириной 25–40 см и высотой 20 см, к которой крепится металлическая или капроновая сетка.

Этот батометр предназначен для улавливания влекомых наносов размером от 5 до 100 мм при глубинах до 2 м и скорости течения до 4 м/с.

Измерение расхода влекомых наносов совмещается с измерениями расходов воды и взвешенных наносов. Пробы отбираются на всех скоростных вертикалях в пределах полосы активного движения влекомых наносов, т. е. полосы, где движение регистрируется батометром. Время выдержки батометра в точке назначается с таким расчетом, чтобы он заполнился наносами приблизительно на одну треть своего объема. При медленном движении наносов батометр выдерживается в точке 10 мин.

Исследование химических характеристик воды проводится в гидрохимических пунктах. В состав наблюдений, выполняемых в гидрохимических пунктах, входят: а) визуальная оценка состояния водного объекта в районе наблюдений; б) определение температуры, цветности и прозрачности воды; в) отбор проб воды для химического анализа; г) измерение расхода и уровня воды.

Визуальные наблюдения проводятся с целью выявления необычных для данного водного объекта явлений, прямо или косвенно свидетельствующих о появлении в воде загрязняющих веществ или изменении их концентрации. При этом отмечается: наличие и характер пленки на поверхности воды и на береговой полосе, плавающих примесей и пены; появление не свойственных данному объекту мутности, окраски, запаха и цветения воды; выделение пузырьков донных газов; гибель рыбы, лягушек, растений и т. п.

Цветность воды определяется с помощью специальной шкалы цветности, представляющей собой набор из 22 стеклянных пробирок, заполненных цветными растворами разных оттенков – от чистого синего до коричневого. Пробирки укреплены в рамках, которые вставлены в двустворчатый футляр.

Цветность воды определяется непосредственно после измерения прозрачности. Для этого белый диск опускается на половину глубины, соответствующей прозрачности, и на его фоне цвет воды сравнивается с цветом воды в пробирках. Найденная таким образом цветность воды обозначается номером соответствующей пробирки.

Отбор проб воды для химического анализа в поверхностном слое производится обычно чистым эмалированным ведром.

С более глубоких горизонтов отбор осуществляется специальными батометрами мгновенного наполнения, представляющими собой цилиндрические сосуды различной емкости, снабженные клапанами и крышками, которые закрываются под водой на заданной глубине. Батометр опрокидывающегося типа представляет собой металлический цилиндр емкостью 1 л, закрепленный на горизонтальной оси внутри прямоугольной рамы. В основаниях цилиндра расположены крышки, соединенные между собой пружиной, проходящей внутри цилиндра. Кроме того, батометр оборудован сливным краном и воздушным вентилем, а вдоль его образующей располагаются гильзы для двух глубоководных термометров.

При проведении гидрологических работ применяются также автоматические станции контроля качества поверхностных вод (АСККПВ), позволяющие вести непрерывные или с заданным интервалом времени измерения уровня и температуры воды, растворенного кислорода и общей минерализации (электропроводности) воды.

Наблюдения за химическим составом и загрязненностью воды проводятся в целях удовлетворения практических требований народного хозяйства (определение пригодности воды для бытового и промышленного водоснабжения, орошения полей, технического применения) и для оценки состояния природной среды.

В состав наблюдений за химическим составом воды входят:

– отбор проб воды;

– полевые определения физико-химических свойств воды;

– полный или сокращенный анализ отобранных проб.

Гидрохимические наблюдения проводятся не менее четырех раз в год: в период ледостава при наибольшей толщине льда; в начале весеннего подъема уровня в озере (водохранилище); в период наибольшего наполнения водоема; при наименьшем наполнении в летне-осенний период.

На химический состав воды значительное влияние оказывают воды, сбрасываемые промышленными и хозяйственно-бытовыми предприятиями. Большой объем сбросных вод вызывает загрязнение водоема, что причиняет значительный вред животному и растительному миру. На таких водоемах, помимо общего изучения химического состава воды, производятся специальные гидрохимические наблюдения за процессами загрязнения и самоочищения водоема. В состав экологических наблюдений входят:

– отбор проб и производство полного химического анализа воды;

– отбор проб донных отложений и их анализ.

При подробных исследованиях дополнительно определяют: характер взвешенных веществ, углерод органический, биохимическое потребление кислорода за 5 суток (БПК₅), электропроводность воды, а также вид специфических загрязняющих веществ (например, нефтепродукты, ядохимикаты и т. д.).

Наблюдения за загрязнением воды проводятся на вертикалях гидрологических разрезов, назначаемых непосредственно у места сброса сточных вод, а также на таком расстоянии от источника загрязнения, чтобы можно было определить область распространения загрязнения в зависимости от гидрологического режима водоема и от расхода сбросных вод.

Наблюдения за процессами загрязнения и самоочищения водоемов проводятся при максимальном уровне воды; при наименьших уровнях воды в безледный период; с учетом штилевых условий и периода достаточно сильных ветров; в период ледостава при минимальном уровне.

Оценка качества воды в водоемах позволяет определить уровень ее экологической опасности, а также прогнозировать такую опасность.

3.14. Экология и гидрология

В современных условиях в гидрологии заметное место занимает экологическое направление исследований. С экологических позиций гидрология пока еще изучается не как единое целое, а по ее основным составляющим: экология океанов и морей, рек и озер, болот и водохранилищ; оценивается экологическая роль снега и льда. Однако и такой подход уже дает ощутимые научные и практические результаты. В частности, в морской экологии появился новый раздел – «Антропогенная экология Мирового океана»; в его рамках проводятся исследования по выявлению основных закономерностей негативных воздействий человека на океаническую и морскую среду, ее животный и растительный мир, а также изучается отрицательное антропогенное влияние на океаны и моря.

С геоэкологических позиций изучаются и водоемы суши: загрязнение и санитарное состояние вод, их качество и влияние загрязнения на водные организмы. С учетом специфики тех или иных видов водоемов (реки, озера, болота и др.) при изучении каждого из них используются новые подходы, методологические приемы, средства и т. п.

С развитием учения о гидросфере открываются возможности формирования в его рамках специального раздела – «Экология гидросферы». Его главный смысл – разработка научных представлений об экологическом состоянии водной оболочки как единого комплекса Земли и закономерностях ее изменения. Создание этого раздела и развитие его научной базы позволят заложить, а затем и сформулировать научные и методические основы экологического мониторинга биосферы, которые станут базой его практической организации.

Необходимость в разносторонних экологических исследованиях всей гидросферы начинает ощущаться уже в настоящее время. Это связано со многими современными экономическими проблемами. Они актуальны при освоении и использовании Мирового океана, решении водохозяйственных вопросов, в деле охраны морских и пресных вод и т. д. Все это свидетельствует о важном экономико-экологическом значении гидросферы для человека.

В наши дни экономическая наука все шире и глубже стала соприкасаться с природопользованием, вникать в экологию, применяя для исследования методы системного анализа. При таком подходе хозяйственные проблемы рассматриваются комплексно, с учетом требований окружающей среды, т. е. анализируется система «экономика—среда». Таким образом, на стыке экономики и экологии создается новое, экономико-экологическое, направление в науке. Оно в значительной мере оформилось в морских исследованиях. Гидроэкология Мирового океана – это наука о законах функционирования, устойчивости и развития экономико-экологических систем океанов и морей. Ее задача – изучение законов совместного, согласованного функционирования и развития экономики и морской среды в качестве подсистем в рамках целостной экономико-экологической системы Мирового океана. Таким образом, главная часть гидросферы – Мировой океан – уже стала предметом экономико-экологических исследований, очень актуальных в настоящее время.

Не менее важным является экологизированный раздел «Воды суши по видам водных объектов» – рек, озер, водохранилищ и др. В настоящее время создается новое научное направление экономико-экологических исследований гидросферы в целом, где в системе «экономика—среда» в качестве последней выступит вся водная оболочка нашей планеты.

Современный уровень науки о природных водах позволяет уже достаточно объективно оценивать их значение как части окружающей среды и сферы приложения деятельности человека. Специалист в области геоэкологии (в том числе выпускник системы среднего профессионального образования) вне зависимости от своей узкой специальности должен хорошо понимать роль и место воды в природе и разнообразных водных объектов в экономике. Необходимо представлять сущность природных процессов, происходящих в Мировом океане, реках, озерах, водохранилищах, болотах, ледниках, а также их вклад В формирование облика Земли. В сочетании с освоением других естественных наук основы знаний в области гидросферы существенно повысят природоведческую эрудицию геоэколога, необходимую для его профессии.

Значительное антропогенное воздействие связано с интенсификацией использования биологических, минеральных, энергетических и других ресурсов Мирового океана, с развитием судоходства и морских перевозок различных грузов по океанам и морям. Увеличилось использование воды водоемов суши для хозяйственных нужд, при мелиорации и гидротехническом строительстве. Все это негативно сказывается на экологическом состоянии природных вод, поэтому они нуждаются в продуманной и действенной охране, рациональном использовании.

В разработке природоохранных мероприятий и правил водопользования непосредственное участие принимают специалисты-геоэкологи. Чтобы принять правильное и научно обоснованное решение по этим непростым проблемам, геоэколог должен быть достаточно компетентным в данных вопросах.

Загрязнение поверхностных вод происходит различными путями. Вместе с осадками вредные вещества из атмосферы попадают или прямо в поверхностные воды, или в почву, а из нее – в воду. Кислотные дожди изменяют и рН (кислотность) поверхностных вод.

Много загрязнений поступает с промышленными и бытовыми сточными водами. Промышленные стоки содержат различные загрязнения – в зависимости от характера производства. Особо опасными являются нефтепродукты, фенолы, различные соединения металлов и такие сильные яды, как цианиды. Нефтепродукты, оставаясь на поверхности воды, препятствуют газообмену между водой и воздухом; 1 т нефти создает на водной поверхности пленку площадью 12 км². В Москве наиболее опасными для столичных водоемов являются следующие вредные вещества: окислы металлов (железа, марганца, меди, цинка), нефтепродукты, фенолы, формальдегиды, аммоний, нитриты, фосфаты, сульфиды. Кроме этого, превышение предельно допустимых концентраций отмечается для железа, марганца, сульфидов, формальдегидов.

Бытовые сточные воды содержат большое количество органических веществ (остатки продуктов, испражнений) с различными микроорганизмами (в том числе – болезнетворными).

Часто в поверхностные воды попадают химические вещества, используемые в сельском хозяйстве (удобрения, пестициды, ядохимикаты), которые способствуют эвтрофикации (биологической гибели) водоемов.

Нередко в воду попадают ядовитые (токсичные) вещества с «диких» или плохо контролируемых мусорных свалок, а затем просачиваются и загрязняют подземные воды. Таким же образом в подземные воды попадают загрязнения из поверхностных вод, со свалок, полей и загрязненных колодцев.

Определенную опасность для подземных вод представляют и глубокие скважины, предназначенные для захоронения отходов (в том числе и радиоактивных). В случае плохой защиты в подземные воды могут попадать радиоактивные и другие загрязнения.

Довольно часто подземные воды загрязняются в результате различных аварий (на нефтепроводах, в подземных емкостях для хранения жидкого топлива).

Часть сточных вод перед сбросом подвергается очистке, но нередко при этом устраняются только грубые загрязнители. Зачастую же сточные воды (особенно бытовые) сбрасываются в водоемы без очистки. На рис. 3.2 приведена схема загрязнения поверхностных и подземных вод.

Очистка сточных вод основана на принципах процессов самоочищения, которые происходят в природе.

На схеме (рис. 3.3) представлена технология механической и биологической очистки бытовых сточных вод.

Первая ступень – механическая очистка. Сначала с помощью решеток (сеток) отделяются крупные нерастворенные, плавающие загрязнения (бумага, тряпки и т. п.). После этого вода поступает в уловители – бетонированные емкости, в которых ток воды замедляется (до 0,2–0,3 м/сек), и твердые частицы осаждаются на дно (это так называемые песколовки). Следующие уловители имеют перфорированное днище, через которое в медленно текущую воду нагнетается воздух. Пузырьки воздуха перехватывают жировые частицы, которые выносятся на поверхность, а затем осаждаются (жироловушки, нефтеловушки).

Осадок время от времени сгребается и вывозится в места временного захоронения или на переработку.

Рис. 3.2. Схема загрязнения поверхностных и подземных вод

Отстойники представляют собой бетонные емкости больших размеров, в которых движение воды еще более замедляется (до 0,01 м/сек) и в которых осаждаются мелкие частицы – менее 0,01 мм. Образующийся зернистый осадок удаляется и вывозится.

В результате механической очистки из воды удаляется 40–70 % и более взвешенных в ней веществ, однако при этом не улавливается большинство взвешенных и растворенных в воде органических веществ.

Следующая ступень – химическая очистка (на схеме не представлена). Она применяется при очистке питьевой воды. В воду добавляют вещества, вызывающие процессы коагуляции (различные хлористые соединения), в результате чего образуется осадок, содержащий загрязнения. Время от времени осадок удаляют.

Для очистки сточных вод применяются также методы биологической очистки. При этом используются микроорганизмы, которые получают энергию для жизнедеятельности из органических веществ.

Рис. 3.3. Схема очистки бытовых сточных вод

Аэробные бактерии-аммонификаторы в аэротенках разлагают белки до аммония, а бактерии-нитрификаторы окисляют аммоний до нитратов и нитритов. Микроорганизмы или находятся в тонком слизистом слое на пористом материале внутри биологического фильтра, или непосредственно добавляются в воду в качестве активационного материала.

Для уменьшения площади очистных сооружений применяют активный ил – слой мягкого грунта на дне, насыщенный микроорганизмами.

Биологический фильтр представляет собой башню, наполненную пористым материалом (например, кирпичной крошкой), сквозь которую медленно стекает вода. В аэротенках приток кислорода обеспечивается перемешиванием воды и притоком в нее воздуха. При такой активации сточных вод скопления микроорганизмов бурно развиваются, о чем свидетельствует большое потребление кислорода, а также образование осадка в виде хлопьев. В отстойниках образовавшиеся хлопья осаждаются, и осадок частично возвращают в аэротенки, а большую часть удаляют и вывозят.

При очистке воды образуется большое количество ила, который содержит много органических веществ и различных микроорганизмов. В нем с помощью анаэробных микроорганизмов начинают происходить процессы гниения. При этом образуется биогаз, содержащий главным образом метан (болотный газ). В метантенках метанообразующие бактерии сбраживают органические вещества, взвешенные или растворенные в сточных водах. В результате получается не только очищенная вода, но и биогаз.

Осадок, если он не содержит токсичных веществ (в частности, окислов тяжелых металлов), обезвоживают, брикетируют и используют как топливо или добавляют к нему различные химические соединения (фосфаты и др.) и используют для производства органических удобрений.

При биологическом способе очистки количество содержащихся в воде загрязняющих веществ уменьшается на 90–95 %, и этого вполне достаточно, чтобы ее можно было выпускать в реки и водоемы, где доочистка происходит уже естественным (природным) путем.