XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Экологическая проблема: загрязнение воды твердыми частицами и её очистка
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Вода составляет 70% поверхности Земли. Это жизненная необходимость для существования и ничто не может выжить без воды. Однако, из-за увеличения человеческой деятельности, вода, как и все остальное на Земле, становится все более и более загрязненной. Выбросы углекислого газа увеличиваются, свалки продолжают расти, отходы постоянно загрязняют наши воды. Существует множество причин, способствующих загрязнению воды. Факты загрязнения воды, причины и следствия могут помочь обратить вспять последствия и предотвратить дальнейшее загрязнение.
Проблема загрязнения воды ставит под угрозу наше здоровье. Небезопасная вода ежегодно убивает больше людей, чем война и все другие формы насилия вместе взятые. Между тем, наши источники питьевой воды ограничены: нам доступно менее 1 процента пресной воды земли. Без принятия мер проблемы серьезно возрастут к 2050 году, когда ожидается, что глобальный спрос на пресную воду будет на треть больше, чем сейчас.
Объект исследования: вода.
Предмет исследования: содержание твердых частиц в воде и его очистка.
Гипотезы:
- водоросли, отложения и загрязнения по-разному влияют на качество воды в зависимости от их количества;
- количество твердых частиц в воде в разных районах может отличаться;
- особенности фильтров помогают удалять из воды разные частицы;
- инженеры-экологи используют разные фильтрующие материалы, чтобы максимально эффективно и недорого очистить воду, а также утилизировать загрязняющие вещества для повторного использования.
Цель исследования: понять процесс загрязнения воды твердыми частицами, исследовать загрязнение воды твердыми частицами в разных районах, создать фильтры для очистки воды, произвести простейший расчет системы фильтрации для понимания деятельности инженеров-экологов.
Задачи исследования:
- Проанализировать литературу на тему загрязнения, очистки и оценки качества воды, а также для понимания особенностей различных материалов, используемых для изготовления фильтров.
- Провести анализ воды из разных источников в разных районах.
- Спроектировать и создать малогабаритную модель фильтрующей системы для имитации многоступенчатого очистного сооружения сточных вод.
- Предоставить качественные и количественные результаты, которые покажут успех (или неудачу) системы фильтрации в достижении целей проекта.
- Рассчитать стоимость различных фильтрующих материалов и проверить их эффективность.
- Сформулировать выводы.
Методы исследования:
Изучение информационных источников, наблюдение, исследование, сравнение, анализ.
Практическая значимость исследования заключается в том, что оно может быть использовано для оценки качества воды, для изготовления эффективного и недорогого фильтра питьевой воды, для привлечения интереса обучающихся к инженерной экологии.
Глава 1. Определение твердых частиц в воде
Взвешенные твердые вещества в водоеме часто возникают по естественным причинам. Эти природные твердые вещества включают органические материалы - водоросли, и неорганические материалы, такие как ил и осадок. Однако, когда взвешенные твердые вещества превышают ожидаемые концентрации, они могут негативно повлиять на водоем. Превышение фоновых количеств часто объясняется влиянием человека, прямым или косвенным. Загрязнению могут способствовать как органические, так и неорганические взвешенные твердые вещества, в зависимости от источника. Водоросли, отложения и загрязнение будут по-разному влиять на качество воды в зависимости от ее количества.
Также немаловажную роль играет процесс таяния снега и состава пород, которые формируют русло / донную часть водоёма. Кроме того, не стоит недооценивать и влияние факторов, имеющих антропогенное происхождение – проведение сельскохозяйственных работ, горнодобывающие работы.
Все указанное также будет влиять на прозрачность воды.
Общее количество взвешенных твердых веществ - это частицы размером более 2 микрон, обнаруженные в толще воды. Все, что меньше 2 микрон, считается растворенным твердым веществом. Большинство взвешенных твердых веществ состоит из неорганических материалов, хотя бактерии и водоросли также могут вносить свой вклад в общую концентрацию твердых веществ.
Для оценки качества воды был проведен анализ речной и водопроводной воды, взятый в речках трех разных районов. С помощью микроскопа было определено качественное и количественное содержание твердых частиц.
Анализ содержания твердых частиц в речной воде
Взяты пробы воды из рек:
- река Банька, Красногорский район (далее проба 1),
- река, Рузский район (далее проба 2),
- река Лама, Волоколамский район (далее проба 3).
В пробе 1 при рассмотрении под микроскопом было обнаружено большое (расчет не производился, так как концентрация частиц была высокой) количество частиц коричневого цвета, разного размера. При отстаивании воды был отмечен значительный осадок.
В пробе 2 при рассмотрении под микроскопом были обнаружены частицы маленького размера, разной формы, преимущественно черного цвета в количестве 15 единиц в зоне видимости, помимо этого было обнаружено два живых микроорганизма разных размеров, которые активно передвигались (зафиксировано видеосъёмкой). При отстаивании воды был отмечен незначительный осадок.
В пробе 3 при рассмотрении под микроскопом были обнаружены частицы маленького размера, в основном зеленого цвета и палочкообразной формы в количестве 28 единиц в зоне видимости. При отстаивании воды был отмечен незначительный осадок.
Вывод: анализ проб воды показал, что наибольшее количество твердых частиц содержатся в водах Красногорского района. Самая чистая вода в реках Рузского водохранилища. К наиболее благополучным водным объектам на территории Московского региона (с III классом качества вод умеренно-загрязненные воды) принадлежат верховью реки Москва, и в их число входит Рузское и Истринское водохранилища.
1.2 Анализ содержания твердых частиц в водопроводной воде
Водопроводная вода проходит разные ступени очистки, прежде чем мы начинаем её использовать, но не все очистные сооружения справляются со своей задачей в силу устаревания оборудования, технологий и других факторов.
Взяты пробы водопроводной воды:
- г.Красногорск, Красногорский район (далее проба 1),
- п.Брикет, Рузский район (далее проба 2),
- п.Ленино-Снегири, Истринский район (далее проба 3).
В пробе 1 были обнаружены губчатые частицы рыжего цвета в количестве 24 единиц в зоне видимости, что свидетельствует о содержании ржавчины в составе воды. При отстаивании был выявлен незначительный осадок.
В пробе 2 были обнаружены мельчайшие частицы черного цвета в количестве 5 единиц в зоне видимости.
В пробе 3 были обнаружены губчатые частицы крупного размера рыжего цвета в большом количестве (расчет не производился, так как концентрация частиц была высокой), что свидетельствует о высоком содержании ржавчины в составе воды. При отстаивании был выявлен осадок, превышающий нормы.
Вывод: некачественная очистка воды была выявлена в поселке Ленино-Снегири. Однако, стоит отметить, что в июле 2021 года в поселке была введена в эксплуатацию станция обезжелезивания воды, поэтому в дальнейшем качество воды улучшится. Самая чистая вода, по показателям содержания твердых частиц, в поселке Брикет, что свидетельствует о качестве очистных сооружений.
Глава 2. Создание очистной системы и анализ фильтрующих материалов
Вода отбирается из поверхностных и подземных источников и направляется на водоочистные сооружения. После очистки вода распределяется по домам, предприятиям и школам. Затем, использованная, она поступает на централизованные очистные сооружения. На этих заводах загрязняющие вещества удаляются из воды перед сбросом теперь уже чистой воды в окружающую среду, где она может быть собрана другой станцией очистки воды ниже по течению, чтобы служить в качестве источника питьевой воды для других сообществ. В этом циклическом процессе вся вода является очищенной водой.
Исследование качества воды привело к выводу, что очистные сооружения требуют тщательного анализа, поэтому было принято решение провести эксперимент для создания малогабаритной модели работающих фильтрующих систем для имитации многоступенчатых очистных сооружений сточных вод. Используя различные материалы (гравий, галька, песок, активированный уголь, ватные диски) и придерживаясь (гипотетического) бюджета, была создана система фильтров из 1,5-литровых пластиковых бутылок для очистки искусственных сточных вод, изготовленных искусственным путем (мыло, масло, песок, кофейная гуща).
Фильтрующая система направлена на удаление загрязняющих веществ в воде и утилизацию отходов в качестве ценных ресурсов.
Задача проектирования и создания системы фильтрации: инженеры перепроектируют системы очистки для улучшения качества воды посредством измерения результатов - восстановленное объема, анализ качества воды, затраты, опыт и лучшие практики.
Прежде чем неочищенные сточные воды можно будет безопасно выпустить обратно в окружающую среду, их необходимо правильно обработать на водоочистной установке. На очистных сооружениях сточные воды проходят через ряд камер и химических процессов, чтобы уменьшить количество и токсичность отходов.
Большинство крупных неорганических твердых частиц (например, мусор) удаляются на этапах удаления сеткой, и с помощью многослойных фильтров – на этом этапе предварительной обработки удаляются наиболее крупные органические твердые частицы. Зона аэрации - это форма биологической очистки, в которой углерод и питательные вещества, такие как азот и фосфор, удаляются и становятся твердыми веществами, которые отделяются от воды в отстойнике. Иногда вода проходит дополнительный процесс фильтрации с помощью песка, прежде чем ее окончательно дезинфицируют и выпускают в виде чистой воды. Осадок от предварительной обработки и отстойника собирают и сушат. Полученный осадок можно повторно использовать в качестве удобрения или отправить на свалку, то есть процесс можно назвать непрерывным - получение чистой воды и удобрений.
2.1 Исследование свойств разных фильтрующих материалов
Для анализа фильтрации стоит руководствоваться правилами:
- менять размер фильтрующих частиц, заполняя пустоты, уменьшая емкость и изменяя фильтрационные свойства,
- разнообразить однородность фильтрующих материалов,
- учитывать стоимость фильтрующих материалов.
Был создан образец смоделированных сточных вод (приложение 1).
В обрезанные 1,5-литровые бутылки были разложены различные фильтрующие материалы (гравий, уголь, песок и т.д.).
В течение заданного времени производились наблюдения: оценивалась скорость фильтрации и содержание твердых частиц в отфильтрованной воде.
Фильтр 1 – уголь
Скорость фильтрации 9 сек. При рассмотрении было обнаружено незначительное количество твердых частиц и незначительное количество масла/химических продуктов. Мутность в объеме была значительной.
Фильтр 2 – морской песок
Скорость фильтрации 35 сек. При рассмотрении было обнаружено незначительное количество твердых частиц и большое количество масла/химических продуктов. Мутность в объеме была невысокой, что свидетельствует об очистки от мелких частиц.
Фильтр 3 – камни (песчаник, гравий)
Скорость фильтрации 6 сек. При рассмотрении была обнаружена высокая концентрация твердых и мелких частиц и большое количество масла/химических продуктов. Мутность в объеме была значительной.
Фильтр 4 – керамзит
Скорость фильтрации 9 сек. При рассмотрении было обнаружено твердых частиц не было обнаружено, но в большом количестве было определено масло/химические продукты. Мутность в объеме была на уровне средних показаний, по сравнению с предыдущими оценками.
Фильтр 5 – мох
Скорость фильтрации 6 сек. Твердые частицы не были зафиксированы, следы масла/химических продуктов было минимальным. Мутность в объеме, по сравнению с предыдущими оценками, минимальна. Также доказано, что мох очищает воду от токсинов.
Вывод: к наиболее эффективным фильтрующим материалам можно отнести мох, но для полного анализа необходимо рассчитать стоимость материалов.
2.2 Стоимость фильтрующих материалов
При расчете стоит учитывать не только стоимость фильтрующих материалов, но и отстоянные вещества, которые могут быть использованы вторично.
Затраты на Фильтрующий Материал:
Морской песок = 180 р/кг
Гравий = 140 р/кг
Уголь = 80 р /кг
Мох = 250 р/кг
Керамзит = 100 р/кг
Стоимость повторного использования/перепродажи:
Морской песок = 180 р/кг
Гравий = 140 р/кг
Удобрение = 15 р /кг
Пластик = 8 р/кг
Вывод: при фильтрации воды осадок можно использовать вторично. Уголь самый дешевый материал и самый неэффективный, тогда как мох выделяется высокой стоимостью, но при этом из изученных материалов обладает наилучшими фильтрующими свойствами.
2.3 Создание фильтрующей системы сточных вод
Основываясь на утвержденной характеристики разных фильтрующих материалов и бюджете, были собраны материалы и построена установка (Приложение 2) для очистки воды. Цель состояла в том, чтобы создать успешный фильтр для очистки сточных вод и утилизации ресурсов.
Были созданы разные камеры со функциями, имитирующими разные ступени промышленной очистки и, расположив камеры на разных уровнях, путем самотека вода проходила через все ступени очистки.
В первую камеру (морской песок, камни и уголь, уложенные слоями) поступала загрязненная вода (Приложение1), далее, очищенная в 1 камере вода переходила в камеру 2, где был имитирован процесс аэрации. 3 ступенью был уголь. Последней ступенью был фильтр, который состоял из керамзита и мха.
Вывод: в процессе многоступенчатой очистки вода очистилась, но мутность осталась. Значит необходимо продолжать работать над эффективностью очистки, включать бактериологическую очистку и изучать другие фильтрующие материалы.
В процессе фильтрации в камерах образовался осадок, который можно использовать вторично.
Для очистки водопроводной воды в кадетском корпусе данная установка пригодна и может быть использована.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Кровь Земли - это вода, а кровеносные сосуды - это реки и озера. Вода на Земле играет ту же роль, что и кровь в организме человека. Именно вода, переходя от почвы к растениям, от растений к атмосфере, текла по рекам с континентов в океаны и возвращалась обратно с воздушными потоками, соединяя между собой различные области природы, превращая их в единую систему. Все растения потребляют питательные вещества почвы только с водой, находящихся в растворенном состоянии. Вода снабжает питательными веществами жителей рек, озер и морей. Вода, как ускоритель, работает намного лучше, чем кровеносная система человека, которая лишь частично выполняет эту функцию.
Инженеры-экологи проектируют очистные сооружения для очистки сточных вод перед сбросом в реки, ручьи, озера и моря. Они используют различные стадии и процессы для удаления твердых частиц и загрязняющих веществ из сточных вод, включая биологические и механические процессы. Фильтры и осаждение являются распространенными механическими процессами, используемыми для удаления крупных частиц из неочищенных сточных вод.
В инженерной экологии необходимо изучать свойства всех материалов, понимать стоимость и только это поможет в создании эффективных система очистки!
Список источников информации
Василенко Л.В., Никифоров А.Ф., Лобухина Т.В. Методы очистки промышленных сточных вод: учеб. пособие. - Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. университет, 2009. - 174 с.
Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Учебник для вузов: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006 - 704 с.
Резников А.А., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. Методы анализа природных вод. - 3-е изд., доп. и перераб. - Москва : Недра, 1970. - 488 с. : ил. ; 22 см. - Библиогр.: с. 481-486
Мутность. Общее содержание взвешенных веществ и прозрачность воды URL: https://www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/water-quality/turbidity-total-suspended-solids-water-clarity/#Turbid11
Мониторинг водных объектов URL:
https://www.m-obvu.ru/activity/monitoring/index.php?print=Y
Приложение 1
- 1,5 -литровая прозрачная пластиковая бутылка
- 1 литр смоделированных сточных вод, содержащих заданный объем загрязняющих веществ-загрязнителей:
- 5 граммов (~1 столовая ложка) кофейной гущи,
- 40 г (~2 столовые ложки) песка,
- 15 граммов (~1 столовая ложка) растительного масла,
- 30 мл (~2 столовые ложки) жидкого мыла,
- 4 грамма маленьких пластиковых бусин, например,
- 35 граммов (~2 столовые ложки) земли.
Приложение 2
Необходимые предметы: 1,5- литровые пластиковые бутылки, силиконовая трубка, фильтрующие материалы (уголь, песок, мох, керамзит, гравий, тканевые салфетки).
Этапы:
Разрезать пластиковые бутылки пополам (4 штуки) – часть с горлышком будет выступать фильтрующей камерой и отстойником.
В каждой проделать отверстия для силиконовой трубки.
В технологическое отверстие вставить кусок силикованной трубки и герметично заклеить клеем.
В первую камеру вставляем тканевую салфетку, которая будет имитировать сетку для очистки от крупных частиц.
Во вторую камеру вводим капучинатор, который будет имитировать зону аэрации - обогащение воды воздухом (либо чистым кислородом), в результате чего из нее удаляются вредные элементы, такие как сероводород, марганец, железо, органические соединения и другие, и таким образом химический состав воды значительно улучшается.
В третей камере на тканевую салфетку слоями выкладывается уголь и песок.
В четвертой камере на тканевую повязку выкладывается керамзит и мох.
В первую камеру вливается вода, проходит через каждую ступень очистки и в четвертой камере получается очищенная вода.