Белорусский национальный технический университет Лекци я 8. Водные ресурсы

как МВТ

ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ
И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Есть организмы, способные существовать

без доступа кислорода (анаэробные), но без воды не может обойтись ни один живой организм.

Вода как природный ресурс

Вода необходима для осуществления биохимических и физиологических процессов в живых организмах. При её отсутствии человек может погибнуть через 5 дней. Тело взрослого человека на 60-70% состоит из воды. Нормальная суточная потребность в воде – около 2.5 л.

– области Земли, где существует жизнь, – является продуктом фотосинтеза,

в результате которого образуется вещество растений из атмосферного СО2 и грунтовой воды под действием энергии солнечного излучения.
Вода – единственный источник кислорода, выделяемого в атмосферу при фотосинтезе.

Растительная биомасса, в свою очередь, служит пищей для животных.
Для многих живых существ вода служит средой обитания.
Без воды невозможно удовлетворение бытовых потребностей человека, осуществление промышленного и сельскохозяйственного производства.

на формирование климата на планете.
Один из важнейших процессов в

биосфере – круговорот воды в природе. Благодаря ему происходит выпадение осадков, формируются воздушные потоки, обеспечивается жизнедеятельность растительного и животного мира.

Водные течения оказывают прямое влияние на состояние микроклимата местности. Например, теплое течение Гольфстрим "отапливает" Великобританию, Ирландию, Скандинавию и во многом определяет климат Белоруссии.

на Землю кометами.
Если бы не было воды, то наша

планета представляла бы собой безжизненный каменный шар.
Вода непосредственно участвует в процессах геологических преобразований на планете – растворяет и переносит неорганические вещества, способствует осаждению пород и формированию плодородной почвы.
Вода является средством дешевого транспорта и энергии, используется в лечебных и восстановительных целях.

% поверхности земного шара. Кроме того, суша включает 3 %

материковых вод (реки, озера), 4 % – болот и заболоченных земель, 11 % – ледников.
Водные ресурсы Земли составляют примерно 1,5 млрд. км3 . Если весь объем воды равномерно распределить по поверхности земного шара, то она покроет землю слоем толщиной в 2,5 км. Вместе с тем свыше 96 % поверхностных вод – соленые, непригодные для питья.

Глобальные запасы воды

млн. км3) свыше 70 % заморожено в ледниках, крупнейший из

которых покрывает целый континент – Антарктиду.
На долю наиболее доступной пресной воды рек и озер приходится не более 0,2–0,3 % от всех ее запасов на планете.
Значительное количество воды сосредоточено в недрах Земли – до 1 млрд. км3. Однако эта вода по большей части залегает на значительных глубинах, в основном минерализована и потому также мало доступна для использования.

Запасы пресной воды

промышленности, интенсификация сельского хозяйства, расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых

условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.
Водные ресурсы, при их неразумном использовании, могут стать недоступными для человека в их привычном виде. Уже сегодня дефицит пресной воды наблюдается более чем в 50 странах мира, а в ближайшие 30-50 лет по прогнозам экологов ситуация ухудшится.
Поэтому охрана поверхностных вод от загрязнения, их рациональное использование являются актуальнейшей задачей сегодняшнего дня для всех без исключения регионов планеты.

Потребление воды

всем видам водоснабжения составляет около 4000 км3/год и ежегодно возрастает.

В мировом масштабе основной потребитель воды – сельское хозяйство, на долю которого приходится около 65 % от всех потребляемых на планете вод, главным образом для полива и ирригации. Доля промышленности составляет 24 %, и на коммунальные нужды используется около 7 %.
Однако в развитых странах основным потребителем водных ресурсов является промышленность. Например, в Скандинавии на промышленные нужды используется до 70 % воды.

Глобальные потребности в воде

водой. Суммарный годовой сток составляет 5,8 км3 на 1 млн.

жителей (среднемировой показатель – 4 км 3).
Реки РБ принадлежат к бассейнам двух морей: Черного – 56% территории и Балтийского – 44%.В Беларуси около 11 тыс. озер, общая площадь которых более 2 тыс. км2, свыше 20 тыс. рек общей протяженностью более 90 тыс. км.
Подавляющее большинство рек относятся к малым. Статус крупных (по площади водосбора) имеют 7 рек:
Западная Двина, Неман, Вилия (Балтийский бассейн)
Сож, Припять, Днепр, Березина (Черноморский).

км3, более 75% озёр – малые (площадью ≤ 0,1 км2).

Статус крупных по площади (> 20 км2) имеют 9 озер (Нарочь, Освейское, Червоное и др).
Количество крупных искусственных водохранилищ в РБ – 136, суммарный объем воды в них – около 3 кмз, площадь зеркала - около 2 тыс. км2. Общая площадь всех озер Беларуси  1,5% всей площади территории.
Ресурсы пресных подземных вод нашей страны составляют 15,9 км3/год.
Т. обр., обеспеченность водными ресурсами РБ выше среднемирового показателя, что полностью покрывает потребности развития хозяйственной деятельности при условии осуществления мероприятий их защиты от загрязнения, сохранения и рационального использования.

2 км3.Если сложить запасы поверхностных и подземных пресных вод Беларуси,

то они составят приблизительно 83-84 км3/год, а потребляются из них около 2,4 %.
Среднее водопотребление на человека составляет около 250 л/сут., что гораздо выше, чем в развитых странах. Более половины водозабора производится из подземных источников.
Минск потребляет 320 тыс. м3/сут воды, более половины которой добывается из артезианских скважин и около 40% из поверхностных источников – Вилейско-Минской водной системы.
Основной потребитель воды в РБ – ЖКХ (43 % общего потребления), доля промышленности – 30 % и около 26 % – сельского хозяйства.

с территорий промышленных предприятий и населённых мест через систему канализации

или самотёком, свойства которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека.
производственные (промышленные) сточные воды отводятся через систему промышленной или общесплавной канализации;
коммунальные или бытовые (хозяйственно-фекальные), образующиеся в жилых, бытовых помещениях, душевых кабинах, туалетах отводятся через систему хозяйственно-бытовой или общесплавной канализации;
поверхностные или ливневые (дождевые и талые) –через систему ливневой канализации.

ПР Лекция 8

Cточные воды

батогами нещадно!" (из Указов Петра I)
2 основные группы

загрязнителей:
консервативные, которые с трудом вступают в химические реакции и практически не поддаются биологическому разложению (примеры: соли тяжёлых металлов, фенолы, пестициды);
неконсервативные, которые могут подвергаться процессам самоочищения водоёмов (медленные !).
В состав сточных вод входят как неорганические объекты (частицы грунта, руды и пустой породы, шлака,
неорганические соли, кислоты, щёлочи) так и органические (нефтепродукты, органические кислоты, биологические: грибки, бактерии, дрожжи, включая болезнетворные).

ПР Лекция 8

Загрязнители сточных вод

примесей (частиц).
Химические – обработка реагентами для устранения

растворимых неорганических примесей с целью нейтрализации, обесцвечивания и обеззараживания воды; связаны с образованием больших количеств осадка.
Физико-химические – коагуляция, окисление, сорбция, экстракция, электролиз, ионообменная очистка; дорогой, высокопроизводительный способ, позволяет очистить как от частиц, так и от растворённых соединений.

ПР Лекция 8

Методы очистки сточных вод

основанные на использовании микроорганизмов, поглощающих загрязнители сточных вод:
биофильтры

с дисперсным наполнителем, покрытым тонкой бактериальной плёнкой;
биологические пруды с населяющими их микроорганизмами;
аэротенки – резервуары с активным илом из аэробных бактерий и микроорганизмов;
метантенки – резервуары с активным илом из анаэробных бактерий и микроорганизмов

60-75 % нерастворимых примесей, а из промышленных до 95 %

многие из которых как ценные примеси, повторно используются в производстве.

Механическая стадия очистки воды

Биологическая стадия очистки

предполагает разложение органических загрязнителей сточных вод микроорганизмами (бактериями и простейшими животными).
На данном этапе происходит минерализация органического азота и фосфора. Для биоочистки могут использоваться как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы.

вода, предназначены для осаждения взвешенной органики. Это железобетонные резервуары глубиной

5 м и диаметром 40 и 54 м. Осадки собираются в центральный приямок проходящими по дну скребками, а специальный поплавок сверху сгоняет все загрязнения, более легкие чем
вода, в бункер.

Танк-отстойник первичной очистки воды

- активный ил из аэробных бактерий и микроскопических животных. Все

эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, питаясь органическими веществами сточных вод, чему способствуют избыток кислорода, поступающего в сооружение.
Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, не слипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

ПР Лекция 8

сточных вод крупных городов, предназначенных для сброса на рельеф местности

или в водоем, применяют установки ультрафиолетового облучения.
С этой же целью может применяться обработка хлором в течение 30 минут.
Хлор уже давно используется в качестве основного обеззараживающего реагента в РФ и РБ. Поскольку он довольно токсичен, очистные предприятия уже активно рассматривают другие реагенты для обеззараживания сточных вод такие как гипохлорит, дезавид и обработка озоном.

ПР Лекция 8

Дезинфекция сточных вод

сооружениях,
представляют собой водные суспензии с объёмной концентрацией полидисперсной твердой

фазы от 0,5 до 10%.
Основную часть сухого вещества ОСВ из первичных отстойников (-60-75%) и активного ила (70-75%) составляют органические вещества (белкового происхождения – до 50%, жиров – до 15-30% и углеводов 10-30%.
Осадки и илы сточных вод представляют собой бактериологическую и эпидемиологическую опасность. В них имеются все основные формы бактериальных организмов: кокки, палочки, спириллы, а также вирусы. Из патогенных микроорганизмов встречаются возбудители желудочно-кишечных и др. заболеваний, яйца гельминтов.

ПР Лекция 8

Твердые осадки сточных вод (ОСВ)

Водород 4,5 – 8,7
Сера 0,2 – 2,7
Азот 1,8

– 9,9
Кислород 7,6 – 43,2

В осадках также присутствуют соединения кремния, алюминия, железа, кальция, магния,
калия, натрия, цинка, никеля, хрома, ртути и др.

ПР Лекция 8

в результате чего происходит расход основной части биологических разлагаемых веществ,

подверженных гниению.
Кондиционирование осадков проводят для разрушения коллоидной структуры осадка органического происхождения и увеличения их водоотдачи при обезвоживании. В промышленности применяют в основном реагентный метод кондиционирования с помощью хлорного железа и извести.
Обезвоживание ОСВ предназначено для получения шлама с объёмной концентрацией полидисперсной твёрдой фазой до 80%. До недавнего времени обезвоживание осуществлялось сушкой ОСВ на иловых площадках (низкая эффективность,
дефицит земель в промышленных районах, загрязнение воздушной среды).
Более эффективные методы – использование барабанных вакуум-фильтров, центрифуг, с последующей термической сушкой и одновременной грануляцией.

ПР Лекция 8

Предварительная обработка ОСВ

и уничтожения ОСВ
от очистки коммунальных сточных вод являлись:
Использование в

качестве с/х удобрения (азотное, фосфорное), компостирование (тяжелые металлы, гормоны, опасность «коровьего бешенства» и т.д.).
Сброс в природные водоемы (загрязнение).
Захоронение на полигонах (в ЕС запрещено при содержанием органики > 5%).
Сжигание.

ПР Лекция 8

образующаяся в процессе сжигания зола находит применение в дорожном

строительстве и цементном производстве;
возможность использования золы, содержащей фосфаты, как ценного минерального ресурса (удобрение, например, в составе АКФ);
использование выделяющегося тепла на нужды отопления и выработки электроэнергии;
надежное, проверенное и экологически безопасное решение, успешно реализованное в глобальном масштабе на более чем 100 установок.

ПР Лекция 8

Преимущества сжигания ОСВ

массы ОСВ остается в виде золы, в которую переходит большая

часть токсичных тяжелых металлов, что создает проблему захоронения или утилизации золы.
Во время сушки ОСВ проходят через фазу вязкого состояния, которая наступает при влагосодержании примерно 50-60 % на сухую массу; в этом состоянии шламы теряют текучесть, что затрудняет процесс сушки.
Азот (N), хлор (Cl), ртуть (Hg), диоксины&фураны и т.п., присутствующие в ОСВ, выделяются в качестве газообразных вредных выбросов, что требует тщательной очистки дымовых газов.
Механически обезвоженные ОСВ имеют влажность 70-80% на рабочую массу, и их теплотворная способность недостаточна для автотермического сжигания, что требует подсветки вспомогательным топливом.

ПР Лекция 8

Проблемы сжигания ОСВ

слоя (КС) и многоподовые вертикальные топки (МВТ) с центральным роторным

валом, на котором закреплены скреперы-ворошители.
Кроме того, используются вращающиеся барабанные печи (ВБП), циклонные топки и устройства для сжигания в расплавах.
В США 100 печей КС (в мире – более 300).
В Японии из 151 установок (1988 г.) 72 – МВТ, 53 – КС и 20 – ВБП.
В ФРГ всего 39 установок, 70 % которых – топки КС
(10 моно–сжигание, 20 – совместное с ТБО).

ПР Лекция 8

Методы сжигания ОСВ

экологическую проблему по утилизации ОСВ. Их сжигают отныне на 3-х

мощных заводах суммарной производительностью 440 т/сут. сухого вещества.
ЕС выделил на реализацию проекта €24,9 млн. Часть средств была предоставлена госпредприятием "Водоканал Ст-Петербурга" и Европейским инвестбанком.
Обеспечена сохранность зеленого пояса вокруг города и курортной зоны побережья Финского залива. Отпадает необходимость в складировании обезвоженного осадка на территории в 10-12 га.
Полученная при сжигании зола используется в производстве строительных смесей для использования в дорожном и промышленном производстве.

Сжигание ОСВ в Ст.-Петербурге

Allied Resource Corp. (США)
Установка по сжиганию осадков и илов юго-западных

очистных сооружений с нагрузкой 88 т/сут. по сухому веществу.
Предварительно обезвоженный осадок со станции обработки сточных вод сжигается в печи кипящего слоя. В качестве дополнительного топлива используется природный газ.
В печи, имеющей огнеупорную футеровку, осадок сжигается в КС песка при Т>850°C. Образующееся тепло используется для получения перегретого пара (6.6 МПа, 450°C) в 2-х котлах-утилизаторах, который подается в паровую турбину для выработки эл. энергии. Дымовые газы с температурой < 210°C поступают на многоступенчатую систему очистки.

Питерская установка для сжигания ОСВ

дымового газа.
в системе мокрых скрубберов удаляются кислые вредные газы (SO2 

и HCl), а также ртуть (Hg).
дымовой газ перед входом в систему скрубберов охлаждается в теплообменнике потоком холодного очищенного газа, выходящего из скрубберов, который нагревается до 120°C.
стоки со скрубберов обеих линий подаются на общую установку для очистки промывочной воды.
дымосос создает пониженное давление на всем пути прохождения дымовых газов, и очищенный отходящий газ выводится в атмосферу через дымовую трубу.

Многоступенчатая система очистки дымовых газов

биомассы в КС, США

соединения) – высокая скорость ввода вторичного воздуха в надслоевой объем,

избыток воздуха, равномерное распределение топлива по сечению топки, равномерное псевдоожижение;
HCl, SO2 – ввод доломита в КС, тканевые фильтры для очистки от пыли;
NOx – селективная некаталитическая система очистки (SNCR)с вводом аммиака (NH3) в области температур 800-1100оС;
Диоксины/фураны – метод T@T (достаточное время при высокой температуре): 1с @ 1000oC.
(ОСВ – источник хлора).

Методы подавления вредных выбросов

биомассы
ПР Лекция 8
(Концентрации пересчитаны на содержание О2 в сухих

дымовых газах 7 %):

учетом стандартов ЕС на их эмиссию при совместном сжигании шламов

и ископаемых топлив: Hg, Pb, Cd, Cr, Cu, Ni, Mn.

Эмиссия тяжёлых металлов

от энергетической доли ОСВ в смеси с углём
%

стандартами ЕС

систем биологической очистки СВ, преимущественно имеет органическое происхождение, в связи

с чем этот осадок направляется для сбраживания в метантенки.
При этом образуется газ, в значительной степени состоящий из горючего газа метана. Этот газ аккумулируют в газгольдерах, а затем используют на нужды станции, в том числе для подогрева осадка в метантенках.
Прорабатывается вопрос строительства БГК, работающих на отходах сточных вод, в Борисове, Молодечно, Слуцке, Солигорске. Многолетние запасы таких отходов, имеющиеся во всех крупных городах, создают проблемы для окружающей среды, в том числе из-за эмиссии образующихся парниковых газов. Это перспективное направление, но оно требует значительных капитальных вложений.

ПР Лекция 8

Получение биогаза из ОСВ.

насадке периодически отмирает и выносится с очищенной водой.
Для ее

улавливания применяют вторичные отстойники.

1. СВ подвергают механической и биохимической очистке, затем дезинфекции.

Схема очистки БытСВ и их смесей с ПромСВ в биологических фильтрах с биологической пленкой

3. Осадок сбраживают в метантенках, и далее обезвоживают и сушат на иловых площадках.

направляется на аэробное разложение в метантенки вместе с осадком из

первичных отстойников.

Вместо биологической пленки используется активный ил – колонии аэробных микроорганизмов.

Ил непрерывно отделяется во вторичных отстойниках и возвращается в очищаемую воду перед аэротенками.

построить 10 биогазовых комплексов (в Германии ежегодно вводится более 500

таких комплексов).
Действуют БГК в свиноводческом селекционно-гибридном центре "Западный" Брестской области, в агрокомбинате "Снов", в ОАО «Журавлиное» Пружанского района, ОАО «Василишки» Щучинского района и ОАО «Александрийское» Шкловского района.
2 биогазовых комплекса (БГК) введут в строй в Минской области в 2012 году:
– комплекс мощностью 3 МВт в Несвижском районе и
– 2-я очередь БГК мощностью 0,34 МВт племптицезаводе "Белорусский".

предназначена для экологически чистой безотходной переработки органических отходов, образующихся на

крестьянском подворье (навоз, помет птицы, пищевые и твердые бытовые отходы и т.д.), с получением газообразного топлива – биогаза и экологически чистых органических удобрений, лишенных патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, нитритов и нитратов, специфических запахов.

В процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органики образуются высокоэффективные органические удобрения – компост, содержащий минерализованные азот (в виде солей аммония – наиболее легко усваиваемая форма), фосфор, калий и другие необходимые для растения биогенные макро- и микроэлементы, БАВ-ва, витамины, аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву. Одна тонна таких удобрений по своему эффекту на растение эквивалентна 80-100 т исходного навоза.

кг/сут,
объем выделяемого биогаза – от 3 до 12 м3

с содержанием 55-60% метана и полным отсутствием сероводорода. 1 м3 биогаза эквивалентен 0,6 м3 природного газа. Влажность загружаемого сырья – строго в пределах 85% – 93%.
В качестве сырья для непрерывной работы установки можно использовать все органические отходы растительного и животного происхождения, накапливающиеся на крестьянском подворье: навоз, растительные остатки (ботва, травянистые растения, солома, стебли кукурузы, подсолнечника и т.п.).

Комплект: биореактор-метантенк объемом 2,2 м3; газгольдер мокрого типа объемом 3 м3; лестница-эстакада; ковш-тележка; ручной подъемник (таль); бак для хранения удобрений. Стоимость: без учета газоиспользующего оборудования - 320 тыс.рос.руб.

– 7%; CO – 1%; О2 – 1%;
H2 – 0,5;

Н2S – 0,5 %.

Qнр =19,4 МДж/м3 (природный газ – 29,3 МДж/м3)