Изучение проблем сточных вод в г. Казани, выявление возможных способов ее очистки..
Вложение | Размер |
---|---|
proekt_stochnye_vody_-.docx | 699.39 КБ |
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение «Лицей №116»
Исследовательская работа
Тема: Сточные воды. Их влияние на окружающую среду. Способы очистки сточных вод в г. Казань
Работу выполнили: группа «Экочайл» Исмагилова Диана Ильдаровна Сабиров Булат Маратович Фаткуллин Тимер Булатович Фахрутдинов Алмаз Айратович Учащиеся 10 Б класса МБОУ «Лицей №116» Вахитовского р-на г. Казань Научный руководитель: Бяулова Елена Николаевна |
Годы исследования: 2015-2016 гг.
Казань, 2016
Оглавление:
Введение | 3 стр. |
Объект исследования | |
Методы исследования | 5 стр. |
Этапы исследования | 5 стр. |
Глава 1. Мониторинг исследования проб воды | 6 стр. |
Глава 1.1. Сбор проб воды | 6 стр. |
Глава 1.2. Анализ собранных проб | 7 стр. |
Глава 1.3. Первичный анализ проб воды | 7 стр. |
Глава 1.4. Углубленный анализ проб воды | 9 стр. |
Результаты исследования | |
Выводы | |
Прогноз | |
Глава 2. Создание модели фильтра | 16 стр. |
Глава 2.1. Критерии модели фильтра | 16 стр. |
Глава 2.2. Описание строения модели фильтра | 18 стр. |
Заключение | 22 стр. |
Список используемой литературы | 23 стр. |
Введение.
Разветвленная речная сеть Татарстана общей протяженностью около 17 тыс. км включает крупные реки – Волгу, Каму и их притоки – Вятку, Белую. Кроме того, в республике имеются 4 водохранилища, в том числе два крупнейших – Куйбышевское и Нижнекамское.
Из общего количества водотоков республики (4098 рек, речек и ручьев общей протяженностью 19632,5 км), 3686 рек являются действительно малыми реками, длина которых не превышает 10 км.
Казань же, один из крупнейших городов России и столица Татарстана, - город с одной из лучших экологических обстановок в стране, тем не менее страдающий проблемой загрязнения вод. Ведь ежегодно предприятия Казани сбрасывают в водоемы в среднем 55 млн. м³ загрязненной воды.
Казалось бы, стоит лишь не пить воду из-под крана, но на самом деле проблема куда серьезнее.
Вода необходима для жизни, производственных, сельскохозяйственных нужд человека. Каждый из нас нуждается в чистой воде. Она - основа здоровой жизни. К сожалению, мы не можем полагаться на чистоту воды прямо из крана. Даже, если она прозрачна на вид и отсутствует неприятный запах, вода содержит невидимые невооруженным глазом загрязнения, которые являются угрозой для нашего здоровья. Из воды, поступающей к нам в дом через водопровод, в настоящее время выделено свыше двух тысяч различных загрязнений. В списках значатся пестициды, гербициды, свинец, моющие средства и др. Через воду распространяются возбудители кишечных инфекций (брюшного тифа, дизентерии, холеры и др.). До 30% заболеваний на Земле возникает из-за плохой питьевой воды и неисправности канализации.
Загрязнение гидросферы происходит за счет сброса в водоемы промышленных, сельскохозяйственных и бытовых сточных вод.
Перечень веществ в промышленных сточных водах составляют тысячи наименований: тяжелые металлы, минеральные и органические кислоты, азот- и хлорсодержащие вещества, соли, сульфиды, жиры, красители и пегменты, фенольные соединения, дубящие вещества. Многие из них обладают токсическими свойствами.
Опасными загрязнителями водоемов являются соли тяжелых металлов- свинца, железа, меди, ртути. Тяжелые металлы очень ядовиты для человека. Очень малые их количества чреваты крайне тяжелыми физиологическими и неврологическими последствиями. Особенно хорошо известны умственная отсталость, вызванная свинцовым отравлением, а также психические аномалии и врожденные уродства при ртутных отравлениях.
Особую тревогу вызывает загрязнение питьевых водоисточников отходами сельскохозяйственных производств. Главным образом это сточные воды животноводческих комплексов, смытые талыми и дождевыми водами с полей удобрения, пестициды и гербициды. В сточных водах животноводческих комплексов могут присутствовать возбудители различных инфекционных болезней.
Хозяйственно-бытовые сточные воды содержат большое количество биогенных элементов (в том числе азота и фосфора), которые способствуют развитию водорослей и эвтрофикации. Под влиянием водорослей вода приобретает неприятный запах, изменяется ее вкус. При их отмирании в водоеме идут гнилостные процессы. Отмирающие водоросли в процессе разложения выделяют фенол, индол, слатол и др. ядовитые вещества. Вода в водоемах делается непригодной для питья и даже для купания.
Таким образом, проблема загрязнения вод города становится куда более серьезной. Чтобы знать, как бороться с проблемой, надо сначала изучить ее причину. А главной причиной загрязнения водоемов г.Казани является сброс в них сточных вод.
Гипотеза: сточные воды являются одной из важнейших причин ухудшения экологии г. Казани, т.к. оказывают огромное отрицательное влияние на окружающую среду.
Актуальность: в наше время технического прогресса человечество забывает о том, что потребительски относится к природе, совершенно не задумываясь о том, какой урон наносим ей своей деятельностью. Одной из таких проблем, актуальных как для нашего города, так и для многих городов мира, является проблема сточных вод, т.к. ежегодно в Казани образуется 285 753 200 000 л сточных вод – весьма немалая цифра.
Объект исследования.
Водные объекты в черте и места поступления сточных вод в черте г. Казани.
Цель проекта: изучить проблему сточных вод в г. Казани, выявить возможные способы ее очистки.
Задачи:
Методы исследования:
Этапы исследования:
2.1) Аналитическое исследование информации по системам фильтрации
2.2) Эксперименты с различными наполнителями для фильтра
2.3) Первичная проектировка фильтра: Создание чертежа.
2.4) Вторичная проектировка фильтра: Создание 3D модели.
2.5) Финальная проектировка фильтра: Создание рабочей модели.
Глава 1. Мониторинг исследования проб воды.
Сбор проб воды осуществлялся в 2 этапа: в период с 13-14.08.15, повторный сбор 20.09.15 года. Сбор проб воды из луж осуществлялся в сентябре 2015 года. Прил. 2
Первым делом мы решили собрать пробы воды в некоторых крупных водоемах и лужах г. Казани. Пункты сбора:
Пункты сбора представлены на рис. 1.
Рис.1
Глава 1.2. Анализ собранных проб.
Собранные образцы проб воды мы изучили с помощью школьного оборудования (первичный анализ) и с помощью лабораторных исследований. Проводить анализ можно в течение 1-2 недель после сбора воды в водоеме, затем она становится непригодной для исследования. Результаты проведенных исследований мы занесли в таблицу 1.
Глава 1.3. Первичный анализ.
Критерии оценивания проб воды в первичном анализе:
Критерии оценивания проб воды записывались в протоколы исследования воды. См. прил. 1
В таблице 1 приведены результаты первичного анализа. В результате первичного анализа, мы выявили наиболее загрязненные воды, а именно: лужи и канал Булак.
Напоминаем, основным предметов исследования являются сточные воды, то есть лужи, а загрязняющие вещества в них позднее станут причиной загрязнения рек. [1]
Первым делом, исследовав водоемы, можно будет установить те части города, в которых рекреационная нагрузка на воду наибольшая, что поможет в дальнейшем сразу в трех пунктах работы: найти наиболее загрязненные стоки города; найти места, наиболее нуждающиеся в установке системы фильтрации; установить самый полный перечень веществ, от которых надо избавить сточные воды.
Таблица 1
№ пункта | Место сбора | Цвет | Запах | Консистенция | Наличие инородных тел |
1 | Оз. Верхний Кабан | Почти прозрачная | Слабый запах | Жидкая | Нет |
2 | Оз. Средний Кабан | Почти прозрачная | Слабый запах | Жидкая | Нет |
3 | Оз. Нижний Кабан | Имеет темный оттенок | Слабый запах сероводорода | Жидкая | Взвесь частиц мелких размеров |
4 | канал Булак | Темная, местами черноватая | Запах органического разложения | В основном жидкая, слегка вязкая | Взвесь частиц разного размера |
5 | Р. Казанка | Прозрачная | Без запаха | Жидкая | Наличие мелких водорослей |
6 | Р. Волга | Прозрачная | Без запаха | Жидкая | Наличие мелких водорослей |
7 | Лужи | Полупрозрачная, с коричневым оттенком | Запах грязи, нефтепродуктов | Жидкая | Песок, глина, мелкие камушки (очень маленькие) |
Глава 1.4. Углубленный анализ проб воды.
Перед тем, как приступить к углубленному анализу, мы подумали над причинами загрязнения сточных вод (луж).
Среди причин мы вывели основные:
Рассмотрим первую причину: Вымывание различных вредных соединений из воздуха дождями. В воздух при сгорании топлива, то есть при работе двигателя автомобиля, попадают различные химические соединения, представляющие экологическую опасность. Эти соединения позднее попадают на землю в виде осадков, то есть вместе с дождем, после чего попадают в уличные сливы и дальше в реки. Для того, что бы знать с чем бороться, нужно знать, какие именно соединения попадают в воздух и их общее количество. Эту информацию мы взяли из нашей предыдущей исследовательской работы: «Исследование экологического состояния города Казани и способы его улучшения» [18]
Далее сноска необходимого сегмента работы:
Методика исследования выбросов автотранспорта включает в себя исследование на местности, а точнее подсчет количества автотранспорта на участке за единицу времени (20 минут), среднюю скорость автомобиля на данном участке. После проведения данных подсчетов на улицах города (для чистоты был взят отрезок дороги равный 100 метрам), мы воспользовались формулой для подсчета количества вредных выбросов.
Таблица значений удельного выброса учитывает разновидности автотранспорта (от легкового авто до грузовиков и автобусов)
Примеры вычислений:
M = (45:1200) × (3,5 + 0.9 + 0,8 + 0,7 × 0,01 + 1,5×0,01 + 3,2×0,001 + 0,3×0,001) × 1,20 × 258 = 10,372
М = (45:1200) × 0,195 × 1,20 = 21, 294
М = (45:1200) × (6,8 + 6,9 + 5,2 + 0,4 + 5,1× 0,01 + 2,2×0,01 + 2,1×0,1) × 1,35 = 23, 52
М = (32:1200) × (5,2 + 6,1 + 4,5 + 0,3 + 4,2×0,01 + 1,8×0,01 + 1,8×0,1) × 7, 542 × 1,8 = 58,14
М = (32:1200) × (0,9 + 3,5 + 0,8 + 0,7×0,01 + 1,5×0,01 + 3,2×0,001 + 0,3×0,000001) × 1,30 × 411 = 74, 391
В результате вычислений мы вывели число выбросов за сутки, которое равно 90,1152 тонн/сутки.[6]
Данная информация будет позднее использоваться при создании системы фильтрации.
Следующий вопрос, который мы рассмотрим это вещества, вытекающие из неисправных частей автомобилей. Каким бы мизерным не казался на первый взгляд этот критерий, не стоит им пренебрегать. Очень часто из машин вытекают масла, из выхлопной трубы – недогоревший бензин, а смазки смываются с деталей автомобиля при езде по мокрой дороге.
Мы провели аналитическое исследование литературы по этой теме.[9]
В расчет мы взяли масла, бензины и дизельное топливо. В результате исследования мы выявили те соединения, которые содержаться в этих веществах. Эта информация в последующем так же будет использоваться для создания системы фильтрации.
К примеру, в таблице приведены составляющие бензина и дизеля.
Вещество | Соединения |
Бензин | Оксид углерода, углеводороды, оксид азота, диоксид серы, альдегиды, сажа, свинец, спирты. |
Дизель | Оксид углерода, углеводороды, оксид азота, диоксид серы, альдегиды, сажа, свинец, спирты. |
Но в первую очередь очистка будет производиться именно от самих масел, смазок и от горючего, так как они не растворяются в воде и распадаются на производные.
Результаты исследования.
В результате первичного анализа проб стало понятно, что наши воды однозначно нуждаются в очистке. Цвет воды, ее запах, прозрачность были далеки от желаемого состояния. Этого анализа было недостаточно, поэтому было решено провести углубленный анализ воды и всего вопроса в целом.
Пробы воды углубленно исследовали по методике анализа воды, предоставленной нам в лаборатории Казанского экологического института, где и был проведен углубленный анализ проб.
В результате этого исследования было выявлено содержание в воде хлора, диоксида серы, спирта, марганца, сульфитов (производные серы).
Выводы.
В ходе исследования были решены главные задачи: были изучены причины загрязнения воды в черте г. Казани, в основном это Нефис Косметикс, ТЭЦ, очистные сооружения города в п. Отары. Был проведен мониторинг анализа состава проб воды в местах поступления сточных вод в водные объекты г. Казани. Результаты показали, что самыми загрязненными участками были выявлены канал Булак и озеро Нижний Кабан. Из поверхностных вод на дорогах наиболее грязными были лужи по улицам Техническая, Право-Булачная, Лево-Булачная, Ахтямова.
Методы очистки сточных вод.
В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно- бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.
Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения- сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода)
Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.
Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.
Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%
При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.
Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.
Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротен0ки.
В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.
В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.
Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. 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, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила. [4]
Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)
Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.
Прогноз.
На основании полученных результатов можно сказать, что экологическое состояние объектов на момент проведенного исследования были немного ниже по сравнению с известными нам результатами исследования водных объектов Казани в 2011 году. При интенсивном антропогенном воздействии на экосиситему вероятность загрязнения воды увеличивается. Для того чтобы сохранить и улучшить состояние воды в водных объектах и водопроводах г. Казани наш коллектив хочет предложить создание модели фильтра, который может помочь в очистке воды, которая может попасть в водопроводы.
Глава 2. Создание модели фильтра.
После изучения собранных вод, а так же методов очистки воды мы приступили к проектировке модели фильтра.
Сначала мы посчитали ежегодные осадки в литрах, основываясь на данных, взятых с сайта министерства окружающей среды по РТ. Мы выяснили, что в год в Казани выпадает 285 753 200 000 (двести восемьдесят пять миллиардов семьсот пятьдесят три миллиона двести тысяч) литров осадков.
Мы взяли за основу данные об осадках: 558 миллиметров на метр квадратный в год. Далее мы умножили это на площадь города и перевили в литры.
Далее данное число делим на 365 и получаем примерные суточные осадки, а именно 782 885 480 литров в день.
Далее, с учетом всех собранных нами данных, мы перешли к продумыванию теоретической основы нашего фильтра, а именно придумали критерии для него. [12]
2.1 Критерии к модели фильтра.
В виду всего вышеперечисленного перед нами обозначился ряд важнейших критериев, которым должен отвечать наш фильтр:
А вот теперь, когда все точки над «и» уже расставлены, можно поговорить о способах реализации данных технических задач. Пройдемся по каждому из трех пунктов, выделив главные проблемы:
Для того чтобы наша система была быстрой нам пришлось отказаться от привычных способов фильтрации воды характерных для данной сферы, а именно отстаивание и насыщение воды. После долгих поисков мы остановились на механическом способе очистки воды т.к. во первых, этот способ является самым дешевым из всех представленных на данный момент, а во вторых самым простым в эксплуатации и принципах задействованных в нем. (Единственным минусом данного способа является качество самой очистки однако перед нами никогда и не стояла цель добиться стерильности воды. Мы лишь хотим избавиться от вредных для экологии примесей в данной воде.)
С экологичностью дела обстояли сложнее. И опять-таки проблема крылась не в выходящей воде, а в самих фильтрах. С самого начала технология механической очистки подразумевает в себе частую замену фильтрующей части аппарата. Эта часть должна быть по определению экологичной, ведь если изъять грязь из одного места и переложить её в другое она никуда не исчезнет. Перед нами стояла задача создать блок-фильтр, который был бы экологичным, как в эксплуатации, так и в утилизации.
Когда стало понятно, что наш фильтр должен быть не только максимально эффективным, но и максимально дешевым, для нас сами собой закрылись двери в чудесный мир наноочистки воды, который бы без сомнения сделал бы воду чище, но являлся бы баснословно дорогим. Нам пришлось учитывать это в момент конструирования самой системы.
После выявления всех этих проблем и с набором идей мы начали думать над самой конструкцией фильтра.
Так же были произведены исследования в области очищающих материалов. Мы брали различные материалы, а именно: песок, губку, уголь, фильтровальные сетки различного типа.
В результате пропускания через слои этих материалов различной толщины, были получены некоторые сведения, необходимы для дальнейшей работы.
Основываясь на собранных данных, мы приступили к продумыванию строения нашего устройства.
2.2 Описание строения модели фильтра.
Наш фильтр, если выразиться максимально лаконично, это видоизмененная труба, проходящая через сеть фильтров. Если же разложить все более информативно, то получается вот такая система:
Самое интересно в строение этих модулей в фильтр-блоке то, что каждый модуль не единичен. Как видно на схеме, в трубу с водой опущена только часть модуля с очистителем. Это потому, что каждый модуль имеет две своих зеркальных копий. Модули зафиксированы не намертво, они имеет возможность двигаться. За фильтр-блоком находится маломощный электрический двигатель. Через определенный промежуток времени двигатель проворачивает модули, после чего использованные модули можно изъять из фильтра и увезти на очистку и утилизацию отходов.
Для чего же такие сложности? Демонтаж обычных модулей в фильтре, работающем в реальном времени, сопряжен с рядом сложностей, а именно: придется договариваться со специально обученными людьми на определенное время, в которое фильтр придется остановить и слить из него всю воду. После чего снова запустить и надеяться, что во время простоя не образовалась водяная пробка.
Наша же система подвижных модулей позволить избежать всех этих проблем, так как фильтр будет продолжать работать в штатном режиме и во время замены загрязненных модулей.
Так же эта функция сыграет на руку в случае, если какой-нибудь модуль выйдет из строя. Для ремонта (замены) будет достаточно провернуть модули на ступень вперед.
Размеры и форма фильтра.
Размер нашего фильтра примерно 3 метра в длину и 2 метра в ширину и высоту (высота без учета грязевого бака) возможен так же вариант с большими габаритами, заменяющими очистные станции вовсе но на данный момент времени они находятся на стадии ранней разработки. Возможны так же системы с более качественной системой очистки для нужд людей. [14,15]
Схемы фильтра.
На схеме ниже можно увидеть расположение основных модулей и структур фильтра.
Выводы:
Мы провели анализ воды и аналитический анализ информации по этой теме, после чего пришли к выводу, что воду необходимо чистить, так как мы обнаружили крайне не благоприятное скопление в воде различных вредных веществ.
Сформировав гипотезу и приведя ряд исследований, подкрепивших ее, мы выявили ряд веществ, присутствие которых в воде неблагоприятно сказывается на состоянии окружающей среды.
Исходя из прошлой нашей работы, мы выявили такие вещества, как: диоксид серы, формальдегид, диоксид азота, бензапирен.
Проведя исследование, мы выявили содержание в воде таких веществ, как марганец, хлор, спирт, производные серы.
После изучения доклада министерства окружающей среды Республики Татарстан, мы добавили в список веществ нефтепродукты, аммоний, фенол, железо.
Имея эти данные, а так же данные об осадках в городе, мы смоделировали фильтр, конструкция которого позволяет чистить воду в режиме «реального времени» абсолютно бесперебойно.
Установка таких фильтров на сливные трубы по всему городу позволит значительно сократить количество вредных соединений в воде и задышать полной грудью нам, и всем обитателям водоемов.
Заключение.
В ходе исследования состояния вод в черте города Казани и мониторинга были выявлены основные источники загрязнения вод и самые грязные места слива сточных вод, расположены у завода Нефис Косметикс, ТЭЦ и очистных сооружений города.
Для того чтобы улучшить состояние водных объектов нами была создана модель фильтра для очистки сточных и канализационных вод в системе трубопроводов города Казани, чтобы как можно меньше загрязненной воды попадало в водоемы.
Прогноз.
Последующее продолжительное загрязнение водоемов и сливы сточных вод сожжет привести к весьма неблагоприятным последствиям. Живность, обитающая в водоемах, будет накапливать отравляющие вещества, мутировать и умирать, тем самым еще больше загрязняя экосистему города, а после и Республики.
Программа действий.
Необходимо расположить фильтровальную установку на всех местах сливов воды в водоемы и наладить ее бесперебойное функционирование.
Для этого необходимо:
Список литературы:
Отдельно хотели бы выразить благодарность Институту Экологии города Казань за оказанную помощь в аналитической области.
Прыжок (быль). Л.Н.Толстой
Цветение вишни в лунную ночь
В какой день недели родился Юрий Гагарин?
Военная хитрость
Зимний лес в вашем доме