3.4: Вода та інженерія

Багато великих інженерних досягнень, що починаються з найдавніших часів і до теперішнього часу, були пов'язані з забезпеченням надійного водопостачання та утилізацією стічних вод. Римські акведуки, які постачали Рим та інші міста питною водою між 300 і 300 н.е., є одним із прикладів цього. Каналізаційна система в Лондоні, розроблена в кінці 1800-х років, є ще одним прикладом. Через ці інженерні досягнення більшість людей у розвинених країнах світу мають доступ до безпечної питної води.

У цьому розділі ми досліджуємо взаємозв'язок між технікою та водою. Спочатку ми опишемо поняття стандартів якості води та те, як питна вода повинна відповідати цим нормам. Потім ми описуємо методи, розроблені інженерами для забезпечення питною водою та очищення стічних вод, щоб вона не надмірно забруднювала навколишнє середовище.

Стандарти якості води

Більшість з нас знає, що вода, яку ми отримуємо від місцевих муніципалітетів, обробляється. Обробка води повинна відповідати стандартам якості води. У США розробка стандартів якості води почалася на початку ХХ століття. З часом ці стандарти якості води еволюціонували і стали більш суворими. Закони та нормативні акти, такі як Закон про чисту воду, регулюють стандарти якості води в Сполучених Штатах. Агентство з охорони навколишнього середовища США (EPA) має місію захисту здоров'я людини та навколишнього середовища. EPA створила стандарти якості води, які визначають цілі для водойми та визначають її використання. Вони встановлюють критерії захисту цих водокористування. Вони також встановлюють вимоги щодо захисту води від забруднюючих речовин.

В цілому стандарт якості води складається з чотирьох основних елементів (EPA):

1. Цілеспрямоване використання водойми (наприклад, відпочинок, водопостачання, водні життя, сільське господарство).
2. Критерії якості води для захисту призначених видів використання (числові концентрації забруднюючих речовин та розповідні вимоги).
3. Політика боротьби з деградацією для підтримки та захисту існуючих видів використання та високоякісних вод.
4. Загальна політика щодо питань впровадження (наприклад, низькі потоки, відхилення, зони змішування).

Уряди штатів зобов'язані визначити відповідні види використання для водойм. Ці види використання ідентифікуються з урахуванням вартості водойми для різних цілей. Використання для водойми може включати будь-яке з наступного: громадське водопостачання, захист риби, молюсків та дикої природи, відпочинок, сільське господарство, промисловість та навігація. Роблячи ці позначення, відповідні органи повинні вивчити, чи підходить водойма за призначенням. Це визначення проводиться на основі фізичних, хімічних та біологічних характеристик водного об'єкта, його географічного положення та мальовничих якостей, а також економічних міркувань.

Питна вода

Місто Нью-Йорк стежить за своєю питною водою, щоб переконатися, що вона безпечна. Цей знак позначає місце розташування станції, де відбирається питна вода.

Якість питної води відрізняється від одного місця до іншого. Якість залежить від стану джерела води і очищення. Кожен місцевий постачальник води громади зобов'язаний надавати щорічний звіт, іноді відомий як «звіт про довіру споживачів» для громадськості. Цей звіт зазвичай містить інформацію про якість місцевої питної води, її джерело та забруднюючі речовини, виявлені у воді (рисунок вище).

Вчені повідомляють про забруднюючі речовини у воді як забруднюючі речовини частинами на мільйон (ppm), частинами на мільярд (ppb) та частинами на трильйон. Коли вимірювання забруднюючих речовин води повідомляються таким чином, ви можете задатися питанням: як кількість забруднюючих речовин, які здаються такими дуже маленькими, можуть викликати проблеми зі здоров'ям? Наукові дослідження показали, що, наприклад, концентрація свинцю лише 15 ppb може бути шкідливою для немовлят та дітей. Запах нафтопродуктів у воді може бути виявлений людиною навіть тоді, коли кількість нафти у воді становить лише 10 ppb.

Дуже важливо відзначити, що не існує такого поняття, як природно чиста вода. Вся вода в природі містить якісь домішки. Так як вода є хорошим розчинником, так як протікає через різні шари грунту і над гірськими породами, вона розчиняє мінерали. Ці мінерали у воді можуть отримати смак (хороший чи поганий). Однак якщо ці мінерали вище певного рівня, вони можуть завдати шкоди.

Ви коли-небудь замислювалися про те, звідки береться ваша питна вода? Багато хто з нас сприймають питну воду, яку ми отримуємо, коли вмикаємо кухонний змішувач, як належне. Вода в багатьох міських районах надходить з поверхневих джерел, таких як озера, річки та водосховища. Ці джерела можуть перебувати поблизу міських районів або далеко. Постачальники води закуповують та обробляють воду, яку вони надають. Важливо враховувати весь вододіл, який забезпечує воду. Вододіл - це земля, з якої опади (зазвичай дощ або сніг) стікають в річку, озеро або водосховище.

У багатьох міських і сільських районах вода надходить також з грунтових вод, які перекачуються зі свердловини. Колодязі забезпечують водою водоносні горизонти, які є природними водоймами під земною поверхнею. Водоносні горизонти можуть лежати під частинами декількох держав або бути шириною лише кілька миль. Таким чином, на якість води впливає не тільки джерело води, таке як річка або колодязь, які ми можемо побачити, але і діяльність, яка відбувається за багато миль.

Перед тим, як вода буде доставлена в наші будинки, вода обробляється. Обробка питної води, яка найбільш поширена, - це дезінфекція. Постачальники води додають хлор або інший дезінфікуючий засіб, щоб знищити бактерії та мікроби у воді. Це звичайне очищення питної води вважається одним з найважливіших наукових досягнень ХХ століття.

Діяльність

Загальні методи очищення води: Перш ніж ми досліджуємо водоочисну споруду, перерахуйте та опишіть деякі поширені способи очищення води або очищення води для пиття, які ви можете робити вдома або під час надзвичайних ситуацій.

Необхідні матеріали: Інтернет-комп'ютерна техніка, підручники з науки.

Пропоновані фрази для пошуку в інтернеті: Очищення води в домашніх умовах, Очищення води при аварійних ситуаціях, Загальні методи очищення води.

Напрямки: Працюючи поодинці або в групі, проведіть мозковий штурм списку способів, якими питна вода може бути поганою. Зі свого списку визначте проблеми, які, можливо, доведеться лікувати. Мозковий штурм другий список способів отримання хорошої питної води у вашому домі. Чи вирішує будь-яке з них проблеми, визначені у вашому першому списку?

Використовуючи Інтернет, досліджуйте новини, пов'язані з проблемами водопостачання та води у вашій місцевій громаді. Як результати ваших досліджень порівнюються з першим списком потенційних проблем з водою? Чи є проблеми, яких ви не передбачали?

Дослідження інформації про методи очищення води, які можна використовувати в домашніх умовах. Обговоріть в невеликих групах те, що ви дізналися з вашого дослідження. Підготуйте діаграму з коротким описом загальних проблем з водою та методів лікування/очищення, відповідних кожній проблемі; включіть список матеріалів, необхідних для кожного методу лікування, і проілюструйте кожен метод, зробивши свій власний малюнок.

Підказки: Фільтрація, Кип'ятіння, Дистиляція, Пом'якшувачі води, Зворотний осмос

Розширення: Якою буде вартість впровадження цих домашніх методів очищення води, якщо вам потрібна чиста вода для сім'ї з чотирьох осіб? Як би ви йшли про визначення кількості води, яка вам знадобиться? Який найбільш ефективний метод з точки зору видалення домішок для кількості води, необхідної сім'ї на чотирьох для питних/харчових цілей?

Основи водопідготовки

Муніципалітети повинні виконувати два типи очищення води: очищення води перед тим, як вона буде використана для питних та інших цілей, та очищення стічних вод, таких як стічні води, щоб було безпечно повертатися в навколишнє середовище. Як правило, питна вода обробляється виходячи з якості вихідної води. Наприклад, грунтові води зазвичай потребують меншої обробки, ніж поверхневі води з річки або озера. Таким чином, якість води, яка надходить у вашу громадську водоочисну споруду, визначає, як вода буде оброблятися перед розподілом.

До стічних вод відносяться стічні води, а також води, що використовуються в промислових і сільськогосподарських процесах. Він витікає з будинків і мікрорайонів по каналізаційних трубах до очисних споруд. Тут проводиться очищення стічних вод для видалення твердих частинок і забруднень. Очищені стічні води можуть бути повторно використані для поливу та озеленення території. Очищені стічні води також повертаються в потоки, річки та океани, які також можуть бути джерелом забруднення.

Очисні споруди для питної води та стічних вод мають обладнання та процеси для видалення або знищення шкідливих матеріалів та організмів. Очисна споруда використовує резервуари та механічні деталі, такі як клапани та насоси, для переміщення води через різні процеси. Ці процеси проектуються і управляються водними інженерами. Інші інженерні спеціальності, в тому числі машинобудування і будівельне машинобудування, грають певну роль в будівництві та обслуговуванні водоочисних споруд.

Очищення питної води

Ілюстрація типового процесу очищення питної води.

Вода з річок, озер і струмків або грунтові води перекачується і транспортується до питної водоочисної споруди. Потім вода обробляється через різні агрегати для підготовки води до розподілу по будинках. Водопідготовка включає в себе етапи, показані на малюнку вище і описані нижче.

Коагуляція. Спочатку з води необхідно видалити бруд та інші частинки. Флокулянти - це хімічні речовини, такі як квасцов (сульфат калію алюмінію), які викликають злипання бруду та інших частинок; флокулянти додаються до води, що створює більші частинки, звані флоком.

Осадження. У міру руху води через відстійники частинки флока осідають на дно резервуара. Потім чиста вода надходить до фільтраційного блоку.

Фільтрація. Фільтрація видаляє дрібні частинки з води, пропускаючи її через шари піску, гравію і деревного вугілля. Потім вода переходить на дезінфекцію перед зберіганням.

Дезінфекція. Вода знезаражується хлором або іншими хімічними речовинами, званими дезінфікуючими засобами, щоб знищити будь-які бактерії та інші шкідливі організми. Кількість дезінфікуючих засобів, що додаються у воду, потрібно ретельно регулювати, тому що занадто багато може бути шкідливим для людини, але занадто мало не вб'є шкідливих організмів.

Зберігання. Після дезінфекції вода зберігається в резервуарах для зберігання, поки вона не знадобиться для розподілу по будинках, підприємствам та іншим водокористувачам.

Діяльність

Які механізми підтримують тиск води під час пікового використання води в міських районах? Ви можете легко уявити, що в більшості міських міст споживання води буде піковим у певний час доби. Чи замислювалися ви, як швидкість потоку води та тиск, при якому вода витікає з кранів вашого будинку, підтримується вранці, коли більшість людей готуються піти до школи чи роботи? Це час, коли використання води високе, оскільки люди чистять зуби, душ та використовують воду для особистої гігієни.

Необхідні матеріали: Інтернет-комп'ютерна техніка, підручники з науки.

Запропоновані фрази для пошуку в Інтернеті: Тиск води, витрата води під час пікового використання води

Напрямки: Дослідження та огляд інформації про те, як системи подачі води або місцеві муніципалітети або системи водопостачання вашого міста регулюють витрату води та тиск води в пікові періоди. Обговоріть в невеликих групах те, що ви дізналися з вашого дослідження. Підготуйте короткий есе, в якому описуються механізми або методи, що використовуються постачальниками води для підтримки потоку води та тиску в пікові періоди. Проілюструйте цю техніку, зробивши власний малюнок.

Підказка: Ви бачили водонапірні баштові резервуари в містах, які знаходяться в рівнинних районах? Дослідіть, якою метою служать ці водонапірні баштові резервуари. З чого роблять водяні насоси Дослідіть різні способи, за допомогою яких міська або муніципальна система водопостачання використовує водяні насоси.

Очищення стічних вод

Перш ніж стічні води можуть бути випущені в навколишнє середовище, її обробляють на очисних спорудах. Пташиного польоту очисної споруди наведено на малюнку нижче. Наступне зображення (малюнок нижче) ілюструє етапи, що беруть участь у очищенні стічних вод. Опишемо кроки більш докладно нижче.

Пташиного польоту очисних споруд у Дрездені, Німеччина.

Етапи типового процесу очищення стічних вод.

Накачування. Очисні споруди стічних вод зазвичай розташовуються на низькому грунті, так що самопливом буде переміщати стічні води з будинків до очисних споруд. Зазвичай насоси потрібні для підйому стічних вод у міру надходження в очисну споруду. Очисна споруда використовує гравітацію для переміщення стічних вод через процес очищення.

Барний екран. Коли він потрапляє на очисні споруди, стічні води можуть містити великі предмети, такі як пластикові пляшки, банки, палиці, камені та навіть мертві тварини. Ці елементи видаляються барним екраном і відправляються на сміттєзвалище. Якщо їх не видалити, вони пошкодять обладнання в очисній споруді.

Зерниста камера. Після скринінгу стічні води потрапляють в камеру піску, в якій з води осідають більші частинки (наприклад, пісок або бруд). Часто воду аерують (через неї пузириться повітря), щоб запобігти осіданню більш дрібних частинок. Аерація призводить до виділення деяких газів, розчинених у воді (наприклад, сірководню, який пахне тухлими яйцями).

Відстійник. У відстійнику (також відомому як первинний освітлювач) тверді речовини осідають на дно, як мул, а накип плаває вгорі. Шлам відкачується з первинного освітлювача і направляється на установку з переробки твердих речовин. Накип складається з більш легких матеріалів, таких як жир, олія, мило тощо. Для збору накипу з поверхні стічних вод використовуються тихохідні граблі.

Вторинна аерація і освітлювач. Стічні води піддаються впливу повітря в аераторі, який забезпечує киснем мікроорганізми, які допомагають розщеплювати забруднюючі речовини у воді. Це може бути зроблено шляхом розпилення стічних вод в повітря або шляхом барботування повітря через стічні води. Гаеровані стоки пропускають у вторинний освітлювач, який є великим резервуаром або ставком; в освітлювачі мікроорганізми розкладають органічний матеріал і поглинають такі поживні речовини, як азот і фосфор. Мікроорганізми та решта твердих речовин осідають зі стоків у вигляді активного мулу. Велика частина активного мулу перекачується на установку з переробки твердих речовин, а решта мулу перекачується в стічні води, що надходять в аератор. Це вводить додаткові мікроорганізми в стічні води, щоб прискорити розпад органіки.

Фільтрація. Фільтрація може бути використана для подальшого зменшення органічних речовин у воді. Вода фільтрується через речовину, зазвичай пісок і гірські породи. Під час цього процесу фільтрації більшість бактерій видаляється, зменшується мутність і колір у стічних водах, видаляються запахи, зменшується кількість вмісту заліза в стічних водах, а також видаляються будь-які інші тверді речовини, які могли залишитися у воді. Ця вода згодом може бути знову відфільтрована через вугільний фільтр, такий як деревне вугілля, щоб видалити органічні частинки.

Дезінфекція. Для знищення залишилися шкідливих бактерій та інших патогенів в оброблених стічних водах хлор та інші хімічні речовини додають в резервуар для дезінфекції. Хлор може бути шкідливим, якщо додати його в надлишкових кількостях. (Можливо, ви помітили запах хлору або мали роздратовані очі, коли ви піддавалися впливу хлору в басейні.) Тому в деяких випадках хлор повинен бути нейтралізований іншими хімічними речовинами після того, як він вбив бактерії для захисту морських організмів.

Обробка твердих тіл. До твердих речовин відносяться мул і накип, видалені в відстійнику, і активний мул, видалений з вторинного освітлювача. Ці тверді речовини можуть оброблятися далі в пристроях, званих варильними камерами, які нагріваються і закриті резервуари. Тверді відходи зберігаються в цих резервуарах протягом 20-30 днів, щоб зменшити обсяг матеріалу, зменшити запахи, а також знищити будь-які організми, які можуть викликати захворювання. Залежно від джерела та складу стічних вод, перетравлені тверді речовини або відправляються на звалище, або використовуються як добриво для сільськогосподарських культур. Використання перероблених твердих відходів в якості добрив зазвичай проводиться тільки після ретельного тестування на наявність будь-яких потенційно небезпечних забруднень.

Очищена вода, яка виділяється рослиною, називається стоками. Стічні води зазвичай викидаються в місцеву річку або океан. У деяких місцях цю воду можна використовувати для озеленення (наприклад, для поливу газонів або полів для гольфу), але не для питних цілей.

Переглянути питання

Наступні питання допоможуть вам оцінити ваше розуміння цього розділу. На кожне питання може бути один, два, три або навіть чотири правильні відповіді. Щоб продемонструвати своє розуміння, слід знайти всі правильні відповіді.

1. Урядова установа Сполучених Штатів, яка відповідає за стандарти якості води,
   1. Агентство з охорони навколишнього середовища
   2. Національне управління повітряного та космічного простору
   3. президент Сполучених Штатів
   4. лісова служба
2. Міське водопостачання надходить з
   1. пожежні гідранти
   2. поверхневі джерела, такі як озера, річки та водосховища
   3. океан
   4. грунтових вод
3. Два види очищення води:
   1. очищення стічних вод
   2. заморожування і плавлення
   3. додаючи часточку лимона
   4. очищення питної води
4. Проектування та управління процесами на водоочисних спорудах займалися ці інженерні спеціалізації.
   1. водна інженерія
   2. соціальна інженерія
   3. машинобудування
   4. будівельна інженерія
5. Мета дезінфекції полягає в тому, щоб
   1. додатково забруднюють воду
   2. вбивати риб та інших морських тварин
   3. вбивати бактерії
   4. зробити смак води хорошим
6. Мета очищення стічних вод полягає в
   1. зробити воду досить чистою, щоб пити
   2. видалити тверді та органічні речовини з води
   3. вбивають шкідливі бактерії
   4. зменшити забруднення, викликане стічними водами