В учебном пособии значительное место отводится теоретическим вопросам курса, которые должны быть использованы при методах очистки природных и сточных вод. Затронутые вопросы помогут специалистам по водоснабжению и санитарной технике предвидеть направленность проводимых ими процессов, оценить их рациональность и выбрать более эффективный метод очистки.
При распределении заряда происходит образование большого дипольного момента молекулы (1,84 дебая). Этот важный параметр, а также угол и длина связи показаны на рис. 3.
Если бы молекулы воды не имели отрицательно заряженных ветвей электронного облака и дипольных моментов, они не могли бы взаимодействовать друг с другом.Структура жидкой воды. Для объяснения аномальных свойств воды в жидком состоянии учеными созданы различные модели ее структуры. В основе многочисленных моделей жидкая вода рассматривается как кристаллическое вещество (жидкие кристаллы). Упорядоченное (кристаллическое) расположение частиц воды в жидком состоянии доказано экспериментально. Полагают, что при плавлении льда его решетка частично разрушается и эти пустоты и ажурная структура льда заполняются освободившимися молекулами воды. Плотность жидкой воды вследствие этого увеличивается. Учеными подсчитано, что в жидкой фазе при 0°С несвязанные, заполняющие пустоты молекулы составляют около 16% от их общего количества.
Изотопный состав воды. Вода — продукт соединения двух химических элементов: водорода и кислорода. Оба эти элемента имеют несколько изотопов.Для кислорода известны также три изотопа с массовыми числами 16, 17 и 18. Соотношение их в природной смеси изотопов следующее: 2670 : 1 : 5.
Физические свойства воды. Чистая вода представляет собой бесцветную (в тонком слое) пли голубопато-зеленую (в толстом слое) прозрачную жидкость, не имеющую ни запаха, ни вкуса.Масса 1 мл очищенной речной воды принята за единицу массы и называется граммом.
Химические свойства воды. Вода — весьма реакционноспособное вещество. Она взаимодействует с окислами металлов и неметаллов, образуя гидраты основного и кислотного характера. Вода обладает амфотерными свойствами. При взаимодействии со щелочами она ведет себя как кислота, а с кислотами как основание. Активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода. Например, калий и натрий разлагают воду без нагревания, магний при нагревании, а железо при сильном нагревании. В результате наличия в молекуле воды отрицательно заряженных ветвей электронного облака она способна входить в состав координационных соединений в виде лигандов с образованием донорно-акцепторной связи (Си(Н20)4]804-Н20.
Дисперсные системы. Если в каком-либо веществе (среде) распределено (диспергировано) в виде очень мелких частиц другое вещество, то такая система называется дисперсной. В зависимости от агрегатного состояния распределенного вещества и среды возможны девять типов дисперсных систем (табл. 1).
Нагревая одну из сконденсированных фракций, например х2 , до кипения в точке сь получаем первые порции пара, которым отвечает точка <1 (состав х3). Затем получаем первую фракцию конденсата (состав хя ) и дальнейшие вплоть до чистого компонента В, т. е. содержание компонента В в них изменяется от х до 1.
Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, а также от условий, при которых она протекает.Главные условия, влияющие на скорость реакции: 1) концентрация реагирующих веществ; 2) температура; 3) присутствие катализатора и т. д.
При оценке закономерностей процессов, протекающих на соору- жениях очистки природных и сточных вод, часто пользуются методами химической кинетики, определяющими порядок реакции.По реакции 1-го порядка протекают такие химические процессы, когда одно из веществ изменяет свою концентрацию, а изменение концентрации второго происходит незаметно из-за его большой концентрации, например гидролиз солей.
Согласно теории Дебая — Гюккеля, сильные электролиты полностью диссоциированы на ионы. Однако свободному движению частиц в жидкости препятствуют электростатические силы, действующие между ионами. В растворе, также как и в кристалле, каждый ион окружен ионами противоположного знака, так называемой ионной атмосферой, которая перемещается вместе с центральным попом и ограничивает его подвижность. В результате электропроводность раствора сильного электролита оказывается меньше той величины, которая должна быть, если бы все ионы могли беспрепятственно перемещаться в электролитическом поле. Следовательно, создается впечатление, что в растворах сильных электролитов число свободных ионов меньше, чем их общая (аналитическая) концентрация. Поэтому для характеристики сильного электролита вводится понятие эффективной (т. е. проявляющей себя в действии) концентрации ионов, называемой также активностью а. Эта величина аналогична концентрации свободных гидратированных ионов (согласно теории электролитической диссоциации).
На практике исследования состава окрашенных промышленных сточных вод удобно пользоваться электрометрическими методами титрования — это потенциометрическое титрование и кондуктомет-рическое титрование.
Дисперсная система с размерами частиц от 1 до 100 ммк, распределенных в той или иной среде, называется коллоидным раствором или золем.Говоря о коллоидах, имеют в виду особое состояние вещества, которое характеризуется определенной ленностью). Вещество в этом состоянии диспергировано до очень малых частиц или пронизано тончайшими порами.
Существует несколько классификаций коллоидных систем.Классификация по агрегатному состоянию дисперсионной среды.Аэрозоли — системы с газообразной дисперсионной средой (дым, туман и др.)- Лиозоли — системы с жидкой дисперсионной средой. (Если средой является вода, то систему называют гидрозолем: глина, песок и другие вещества в воде.) Солиозоли — системы с твердой дисперсионной средой (сплавы, цветные стекла, некоторые минералы).
Осмотическое давление коллоидных растворов ничтожно мало по сравнению с осмотическим давлением истинных растворов. Если взять для приготовления истинного и коллоидного растворов равные количества вещества, то частицы коллоидного раствора будут крупнее, чем частицы истинного раствора, а поэтому и число их будет меньше.
Коагулирующее действие электролита. Все электролиты вызывают коагуляцию. Вещество, коагулирующее дисперсную фазу коллоидной системы, называется коагулянтом, а ион, вызывающий этой процесс,— коагулятором.
Порог коагуляции. Минимальное количество электролита, вызывающее появление хлопьев, называется порогом коагуляции у у выражается о ммоль/л и соответствует сжатию двойного электрического слоя до той степени, когда он перестает служить энергетическим барьером, предохраняющим частицы от слипания.
Скорость коагуляции. Зависимость скорости коагуляции коллоидного раствора от концентрации электролита представлена на рис. 35. При малых концентрациях электролита коагуляция не наблюдается, так как адсорбция противоположно заряженных ионов мала и коллоидные частицы обладают достаточным одноименным зарядом, (препятствующим их объединению. Через некоторое время заряд уменьшается и между частицами начинают действовать силы притяжения.
Коагуляция коллоидных систем под действием физических факторов. Коагуляция в результате механического воздействия наблюдается при механическом перемешивании коллоидных систем, при перекачке через трубопроводы, при всасывании через распределительные устройства и т. д. Причины коагуляции обусловлены временным нарушением адсорбционного равновесия стабилизатора у поверхности коллоидных частиц. Это способствует сближению частиц на расстояние, где уже проявляются силы Ван-дер-Вааль-са. Это подтверждается тем, что в коагуляте , полученном в результате механической коагуляции, стабилизатора содержится всегда меньше, чем в коагуляте при коагуляции электролитами.
Эластичные гели или студни образуются высокомолекулярными соединениями н в отличие от хрупких гелей являются однофазными системами. Из-за гибкости цепей в пространственной сетке эластичные гели сравнительно легко изменяют свой объем при поглощении и отдаче дисперсионной среды. Эластичные гели способны к набуханию с увеличением объема в десятки раз по сравнению с собственным объемом полимера.
Протекание поверхностных процессов связано с уменьшением свободной поверхностной энергии.При достаточном сближении молекул между ними воз-никают силы сцепления, получившие название ван-дер-ваальсовых . Эти силы проявляются в газообразных, жидких и твердых телах. Величина их у твердых веществ больше, чем у жидкостей, слабее всего силы сцепления в газах.
Органические вещества, например жирные кислоты, спирты, кетоны, мыла, протеины, весьма значительно понижают поверхностное натяжение воды. Вещества, вызывающие резкое понижение поверхностного натяжения, называются поверхностно-активными.
Адсорбция на поверхности раздела между двумя жидкостями.Адсорбция в таких системах также протекает в направлении уменьшения поверхностного натяжения. Следует отметить, что в этих случаях может ¡наблюдаться определенная ориентация молекул в поверхностном слое, оказывающая существенное влияние на поверхностные свойства жидкостей.
Микрогегерогенная система, состоящая из газообразной дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды, называется пеной.В пенах газовые пузырьки разделены тончайшими пленками жидкости, образующими в своей совокупности пленочный каркас, который является основой пены. Устойчивость пен зависит от прочности этих пленочных каркасов. Устойчивые пены образуются в присутствии пенообразователей (или стабилизаторов пен), кото рые располагаются на поверхности пленок с ориентацией неполярных участков молекул в газовую среду, а полярных — в жидкость. Газообразная фаза не оказывает большого влияния на углеводородные радикалы и не препятствует им в структурообразовании прочных и эластичных пленок. Поэтому пенообразователи сообщают пенам структурно-механическую устойчивость.
Окислительно-восстановительные реакции имеют большое тео-ретическое и практическое значение. Эти процессы обусловливают многие явления, имеющие место в химии, биологии и технике. Например, явления окисления — восстановления лежат в основе процессов дыхания и горения, получения металлов из руд, коррозии металлов, электрохимических покрытий и т. д.
Окисленная форма вещества с большим потенциалом является окислителем для восстановленных форм с более низким потенциалом, и наоборот, восстановленная форма вещества является восстановителем для окисленных форм с более высоким окислительным потенциалом.
Природная вода всегда содержит некоторое количество растворенных и взвешенных веществ органического и минерального происхождения. Эти вещества попадают в воду из атмосферы при выпадении осадков; из почв и грунтов, с которыми соприкасается заполняющая их поры или движущаяся по ним подземная вода; из почв и грунтов, составляющих дно или русло поверхностных водоемов, а также за счет жизнедеятельности и отмирания населяющих воду растительных и животных организмов.
Загрязнения природных вод по их физико-химическим свойствам можно разделить на три группы.К первой группе примесей относятся вещества, полностью растворяющиеся в воде. Они находятся в воде в виде отдельных молекул или ионов. По внешнему виду эту воду нельзя отличить от чистой, лишенной примесей воды. Присутствие примесей можно установить с помощью химического анализа или органолептически (на вкус).
Биологическое загрязнение воды. Природные воды обильно заселены бактериями, водорослями, простейшими, червями и другими организмами. Биологические загрязнители развиваются тем интенсивнее, чем больше в воде питательных веществ. Самыми распространенными из микроорганизмов являются бактерии, которые принимают активное участие в образовании всех водных сообществ. Они в изобилии развиваются в иле и других грунтах, входя в состав донного населения; бактерии могут образовывать весьма обильные обрастания подводных предметов (перифитон). В виде бактериопланктона они входят в состав планктонного сообщества, относящегося к наиболее мелкой части планктона (наннопланктон). Бактерии образуют устойчивые взвеси, так как они по плотности близки к плотности воды из-за содержания в клетке высокой влажности (около 85% воды).
Загрязнение воды нефтепродуктами. Наибольший вред чистоте водоемов приносят нефть и нефтепродукты, попадающие в воду при авариях на буровых вышках или авариях супертанкеров, перевозящих нефть, при переливании нефти из одной емкости в другую, при очистке цистерн от мазута военными и торговыми судами, а также при мытье поверхностного покрова городских улиц. (Здесь сбрасываются в водоем нефтяные масла от автомобильного транспорта).
В зависимости от целевого назначения воды ее физические, химические и бактериологические показатели должны отвечать определенным требованиям. Ими определяется выбор источников водоснабжения, технологические процессы обработки воды и компоновка очистных сооружений.
Выбор методов очистки воды определяется требованиями, предъявляемыми к воде, и ее качеством. Ниже перечислены методы, чаще всего применяемые в практике.Крупные частицы удаляются отстаиванием. Отстаивание воды практикуется как в качестве самостоятельного процесса ее очистки, так и после обработки ее коагулянтом.
Мелкодисперсные примеси удаляются из воды методом коагулирования. Коагулирование — это обработка воды реагентом, приводящая к укрупнению частиц с целью ускорения их осаждения.При коагулировании происходит осветление и обесцвечивание воды. Природные воды загрязнены гуминовымн веществами, глиной, кремниевой кислотой и др. Частички всех этих веществ несут на себе отрицательный заряд. Удаляют эти примеси с помощью коагулянтов — солей, образованных слабыми основаниями и сильными кислотами. Эти вещества вступают в обменную реакцию с ионами воды, образуя сложные координационные соединения. На практике чаще других коагулянтов используется сернокислый алюминий, поэтому ниже приводится схема продуктов гидролиза этого вещества.
Коагулирование и фильтрование воды через песок освобождают ее от суспендированных примесей и частично снижают ее бакте-риальную загрязненность. Для полного обеззараживания воду дезинфицируют действием реагентов, убивающих патогенные (болезнетворные) микроорганизмы. К этим реагентам относятся газообразный хлор и хлорсодержащие вещества (хлорная известь, хлорамины, двуокись хлора, гипохлориты), озон, соли тяжелых металлов и физические агенты (ультрафиолетовые лучи, ультразвук и др.). В практике водоочистки пользуются чаще всего хлором и хлорсодержащими веществами.
Обеззараживание воды хлором и хлорсодержащими веществами. Сущность обеззараживающего действия хлора заключается в окислительно-восстановительных процессах, происходящих при взаимодействии хлора и его соединений с органическими веществами микробной клетки. Полагают, что хлорноватистая кислота вступает в реакцию с. ферментами бактерий и тем самым нарушает обмен веществ в бактериальной клетке.
Обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется их влиянием на протоплазму и ферменты микробных клеток, что вызывает их гибель. Наибольшим воздействием иа бактерии обладают лучи с длинами волн от 2000 до 2950 А (эта область ультрафиолетовых лучей так и называется бактерицидной).
Обеззараживание воды ультразвуковыми волнами. Упругие колебания с частотами, превышающими 20 000 Гц, не воспринимаемые нашими органами слуха, принято называть ультразвуковыми.Ультразвуковые колебания в технике получают пьезоэлектрическим и магнитострикционным методами.
Стабильной называется такая вода, которая при контакте с металлическими и бетонными поверхностями в течение длительного времени не изменяет своего состава.Если С меньше единицы, вода агрессивна, если больше единицы, вода склонна к отложению карбоната кальция.
Углекислота и ее формы. При химическом анализе различают углекислоту: 1) общую; 2) гидрокарбонатную; 3) карбонатную; ■4) свободную; 5) равновесную и 6) агрессивную.Зная константы диссоциации и концентрации каких-либо двух ионов, входящих в уравнение, можно определить концентрацию третьего иона.
Вычисление содержания агрессивной углекислоты с помощью таблицы. Анализом устанавливают количество свободной и связанной углекислоты (если содержание гидрокарбонатного иона дано в мг-экв/л, то его нужно умножить на эквивалентную массу СОг, т. е. на 22).
Индекс насыщения воды карбонатом кальция. В практике водоснабжения характеристику стабильности воды определяют по индексу насыщения I ее карбонатом кальция. Для этого используются номограммы (рис. 56), по которым определяют значение функции от заданных величин.
Коррозия — это самопроизвольно протекающий окислительный процесс разрушения металлов в результате химического или электрохимического взаимодействия его с окружающей средой.Сущность химической коррозии сводится к химическому взаимодействию металлов с окружающей средой. Такие среды называют агрессивными. К ним, например, относятся: воздух, топочные газы, загрязненный сернистыми соединениями бензин, керосин, смазочные масла, загрязненная различными примесями вода и др.
Массив из затвердевшего цементного или бетонного раствора выдерживается длительное время (несколько месяцев) на воздухе для того, чтобы на нем образовалась защитная пленка из СаСОэ. Этот защитный слой, не содержащий свободной извести, не подвергается действию морской воды. Но механическое повреждение этой защитной пленки делает возможным проникновение воды внутрь массива.
Дегазацией называется удаление из воды растворенных газов (Cl2, 02, СО2, H2S и др.). Процесс дегазации может быть осуществлен химическими, физическими и физико-химическими методами.Химические способы дегазации требуют строгого контроля за количеством добавляемого к воде реагента, так как всякий избыток дегазатора ухудшает свойства воды. Поэтому физические и физико-химические методы дегазации практически проще и мень ше загрязняют воду новыми продуктами реакции.
Дезодорацией называется обработка воды с целью уничтожения дурного запаха и привкуса, обусловленного различными примесями, присутствующими иногда в аналитически неопределимых концентрациях.Общим приемом дезодорации является фильтрование воды через слой активированного угля, который адсорбирует загрязнения.
Жесткость воды. Природная вода, содержащая большое количество растворенных солей кальция и магния, называется жесткой. Соли, обусловливающие жесткость воды, не являются вредными для здоровья человека. Но присутствие в питьевой воде значительных количеств магния нежелательно, так как он ухудшает ее органолептические свойства. По нормам пределом содержания окиси магния считается 15 мг/л. Избыток солей магния (свыше 50% от общей жидкости) затрудняет умягчение воды.
Единицы измерения жесткости. Единой международной единицы измерения жесткости не существует. Различные страны условно принимают свои единицы.Немецкие градусы: Г=1 мг СаО в 100 мл воды или 1 г в 100 л воды.
Умягчению подвергают воду, идущую для питания паровых котлов. В зависимости от типа котла и рабочего давления в нем остаточная жесткость воды может быть различной.Существующие способы умягчения можно разделить на три группы: реагентные методы умягчения воды, умягчение воды методом обмена ионов и термическое умягчение воды.
Применяемые при очистке воды иониты бывают естественного и искусственного происхождения. Примером первых могут быть глаукониты и гумусовые угли, а примером вторых — сульфированные угли и синтетические ионообменные смолы.
Процесс удаления из воды солей называется обессоливанием или опреснением. При обессоливании удаляются соли почти полностью, г при опреснении до остаточной концентрации их 1000 мг/л.
Для удаления солей из воды существует несколько методов: 1) дистилляция и вымораживание воды; 2) электрохимический метод; 3) метод ионного обмена.Дистилляция и вымораживание. Придистилляции воду нагревают до кипения, пары проходят через холодильник, конденсируются и дистиллят собирается в приемник. Этим способом можно освободиться от растворенных нелетучих веществ.
Электрохимический метод. Этот метод обессоливания воды основан на использовании электродиализа и электроосмоса.Принцип опреснения воды электрохимическим способом основан на электролизе находящихся в ней солей при пропускании электрического тока. При этом на аноде протекает процесс окисления анионов, а на катоде—восстановления катионов. Катодное и анодное пространства изолируются от основного потока диафрагмами (рис.
Ионообменный метод. Этот метод обессоливания сводится к фильтрованию воды через Н- и ОН-ионитовые фильтры.Углекислоту удаляют дегазацией, продувая через воду воздух, или разбрызгиванием в градирнях.
Методы удаления из воды железа и марганца. Методы удаления из воды железа сводятся к окислению двухвалентного железа в трехвалентное и осаждению его в виде гидроокиси железа (III).Этим методом можно снизить концентрацию железа до 0,1—0,3 мг/л. Процессу осаждения железа мешает присутствие в воде гу-миновых веществ, они являются защитными коллоидами по отношению к гидроокиси железа (II). В этих случаях воду обрабатывают хлором. Последний окисляет железо (II) в железо (III) и разрушает гуминовые вещества.
Природные воды могут содержать радиоактивные вещества естественного и искусственного происхождения. Естественной радиоактивностью воды обогащаются, проходя через породы, содержащие радиоактивные элементы (изотопы урана, радия, тория, калия и др.). Солями с искусственной радиоактивностью вода заражается при попадании в нее стоков от промышленных, исследовательских предприятий и медицинских учреждений, использующих радиоактивные препараты. Природная вода также заражается радиоактивными элементами при экспериментальных взрывах термоядерного оружия.
Исследования показали, что наиболее заметные изменения свойств воды после магнитной обработки наблюдаются в присутствии примесей. Особенно ощутимые изменения отмечаются у границы раздела фаз — твердой и жидкой.
Загрязненные воды, подлежащие удалению с территории населенных мест и промышленных предприятий, называются сточными. Вода, использованная потребителем и не требующая больших затрат на восстановление, регенерируется и снова подается потребителю. Такую воду называют оборотной.
Анализ сточных вод производится по другой схеме, чем рассмотренная схема анализа природных вод.В каждом образце промышленной воды определяют еще компоненты, которыми загрязняется вода в процессе ее образования. Например, железо, медь, хром, кобальт, никель, цинк, кадмий, ртуть, сульфаты, сульфиты, цианиды, фенолы, формальдегид, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) и др.
Относительная стабильность сточных вод. Относительной стабильностью или стойкостью сточных вод называется отношение запаса кислорода в воде (растворенного, нитритного и нитратного) к БПКполн этих сточных вод. Относительную стабильность выражают в процентах. За показатель относительной стабильности принимают время, необходимое для использования содержащегося в воде кислорода в присутствии метиленовой сини как индикатора.
БПК сточных вод. Различают БПК5 и БПК ПОЛИ-БПКб — это количество кислорода (мг/л), расходуемое на биохимические процессы в течение 5 суток. БПКполн — это количество кислорода (мг/л), расходуемое на биохимические процессы до наступления реакции нитрификации.
ХПК промышленных сточных вод можно определить расчетным путем, если известен состав загрязнений органическими веществами.Например, определим ХПК сточной воды, содержащей 1 г уксусной кислоты и I г пропионовой кислоты в литре.
Санитарные требоЕ!ания к составу и свойствам воды водоемов в значительной мере ограничивают спуск сточных вод в них, поэтому использованную воду, как правило, подвергают очистке. Методы ее очистки можно разбить на две группы: деструктивные и регенеративные.
Удаление взвешенных веществ . В грубодисперсном состоянии в воде могут находиться самые разнообразные вещества. При отстаивании легкие частицы всплывают наверх, а тяжелые оседают на дно.Отстаивание осуществляется в горизонтальных, радиальных и вертикальных отстойниках, а масла и нефть улавливаются специальными приспособлениями — нефтеловушками.
Экстрагирование. Извлечение загрязнений из воды с помощью другой жидкости называется экстрагированием. Для экстрагирования подбирают не смешивающуюся с водой жидкость, в которой вещество, загрязняющее воду, растворяется лучше, чем в воде.
Адсорбция. Очистка сточных вод методом адсорбции основана на том, что растворенные в них вещества адсорбируются на поверхности адсорбента. Различают адсорбцию в статических и динамических условиях. Адсорбцией в динамических условиях называется процесс, протекающий на поверхности адсорбционного фильтра при прохождении через него воды.
Следовательно, малолетучая жидкость может быть переведена в пар при температуре более низкой, чем температура кипения, путем совместного кипения несмешивающейся и химически не взаимодействующей с ней более летучей жидкостью. Для повышения выхода используют перегретый пар, который увеличивает температуру перегоняемого вещества, способствующую увеличению давления его насыщенного пара, и мольную долю его в перегоняемой смеси.
Нейтрализация кислот и оснований. Правила спуска сточных вод в водоемы не допускают сброса кислых и щелочных стоков, так как они губят микрофлору водоемов. Необходимо производить нейтрализацию подобных сточных вод перед спуском в водоем. При расчете нейтрализационных установок учитывают только концентрацию свободных кислот и оснований.
Флотация. В тех случаях, когда требуется извлечь из сточных вод ценные вещества, применяется метод флотации (англ. flotation — всплывание), основанный на различной смачиваемости частиц смеси гидрофобных (не смачиваемых) и гидрофильных (смачиваемых) веществ. Практически применяется пенно-флотационный процесс, заключающийся в том, что через жидкость с флотируемым веществом снизу продувается воздух. Пузырьки воздуха адсорбируют на своей поверхности частицы извлекаемого (гидрофобного) вещества и выносят их па поверхность воды.
Хлорирование. Хлор и хлорсодержащие вещества применяются для обработки как промышленных, так и бытовых сточных вод. Хлор применяют для обеззараживания сточных вод от патогенных микроорганизмов, для уничтожения запахов (например, сероводорода и других сернистых соединений), кроме того, он уничтожает водоросли, разрастающиеся в охлаждающей воде.
Кристаллизация. Концентрированные промышленные воды можно очищать путем кристаллизации. Обычно кристаллы выпадают из насыщенных растворов, которые можно получить при выпаривании жидкости с последующим понижением температуры.
Биологическая очистка сточных вод. Биологическая очистка основана на том, что мелкораздробленная взвесь, коллоидные и растворенные вещества разрушаются в процессе жизнедеятельности аэробных микроорганизмов.
Количество энергии, поглощенное системой, называется дозой, которую выражают в радах или электрон-вольтах. (Рад соответствует поглощению энергии в 1 эрг на 1 см3.) Количество энергии, поглощенное системой в 1 с, называется мощностью дозы и выражается в рад/с или эВ/с.
Современные методы обработки осадков сточных вод. Целью обработки осадков сточных вод является получение конечных продуктов, свойства которых позволили бы использовать их в народном хозяйстве, или приведение их в состояние, не опасное для окружающей среды.
Микробиологией называется наука о малых (невидимых невооруженным глазом) организмах, получивших название микробов.Эту группу организмов составляют: бактерии, актиномицеты — нитчатые микроорганизмы, бесхлорофилльные растения — грибы, хлорофиллсодержащие растения — водоросли, простейшие и ульт-рамикробы — особый класс существ, более просто организованных, чем бактерии, и более мелких, невидимых в микроскоп.
Бактерии являются самыми древними обитателями Земли. Полагают, что первобытные бактерии были мельче, чем современные. «Ископаемые бактерии», т. е. их отпечатки, найдены вместе с сине-зелеными водорослями в кембрийских и докембрийских отложениях. Со временем усложнение организмов привело к появлению нитчатых ветвящихся форм, от которых в дальнейшем произошли грибы.
Морфология — это наука, изучающая внешний вид, структуру и форму организмов.Размер бактерий. Главнейшими объектами изучения микробиологии являются бактерии. Это наиболее мелкие организмы, обла» дающие чертами, сближающими их с миром животных, как, например, подвижность, и с миром растений, например наличие твердой оболочки.
Для санитарно-технической практики значительный интерес представляют нитчатые бактерии. Наиболее крупные их виды вполне различимы уже невооруженным глазом. Они составляют группу макромикробов. Эти организмы отличаются от обычных бактерий только своими размерами. Например, самые крупные нитчатые бактерии обладают теми же свойствами, что и наиболее мелкче представители тех же групп. К нитчатым формам бактерий относятся серобактерии и железобактерии.
В 1870 г. была сделана попытка объединить бактерии по видам. По этому вопросу существовало две точки арения. Одна получила название мономорфизма. В ее основе лежало представление о том, что у бактерий имеются хорошо разграниченные виды, отличающиеся большим постоянством.
Наружная оболочка. Наружная оболочка у бактерий пориста, тонка, бесцветна и только у крупных форм различима при микро-скопировании. Благодаря наличию наружной оболочки бактерия имеет постоянную внешнюю форму.
Хотя внутренняя структура спор еще полностью не изучена, но установлено, что в них содержатся очень сложные ферментные системы, обеспечивающие дыхание и рост, а также полный комплект генетического материала. Эти элементы сохраняются внутри споры, они необходимы при ее прорастании. В спорах обнаружена днпиколиновая кислота, которая не содержится в вегетативных формах.
Способностью передвигаться обладают только некоторые представители группы бактерий. Эта способность обусловлена наличием у них жгутиков. Только подвижные спирохеты перемещаются ритмичными колебаниями всего тела. Жгутики являются цитоплазматическими выростами, не втягивающимися внутрь при плазмолизе. В неокрашенном виде они под микроскопом не видны. На всем протяжении они имеют одинаковую толщину и диаметр их обычно не превышает /гп поперечного диаметра бактериальной клетки (около 0,02—0,05 мк). Скорость движения 10—20 мк/с.
Размножение бактерий происходит делением клетки пополам (рис. 79). Вначале в середине тела бактерии появляются выросты, а затем они кольцеобразно вдвигаются внутрь клетки и делят ее пополам. Но встречаются бактерии (миксобактерии), размножение которых происходит путем «перешнуровывания» клетки без образования клеточной перегородки (рис. 80). Каждая половинка быстро вырастает до размеров материнской клетки и снова делится пополам н т. д. При благоприятных условиях размножение идет очень быстро. Считают, что бактерия делится пополам через каждые 20—30 мин. По подсчету ботаника Кона, при беспрепятственном размножении в течение 5 сут потомство одной бактерии средней величины (2 мк длины и 1 мк ширины)4 заняло бы объем, равный объему всех морей и океанов. Но размножение бактерий ограничено рядом факторов и таких фантастических размеров не достигает.
Микробная клетка в момент акта питания выделяет в среду биологические катализаторы — ферменты. Назначение их состоит в том, чтобы растворить питательные вещества, которые иначе не смогут пройти через клеточную оболочку.
Больше всего в составе микроорганизмов содержится воды (в среднем до 80—85%). Основная масса воды находится в связанном состоянии с коллоидными частицами.Установлено, что клетки всех микроорганизмов сходны по химическому составу н содержат одни и те же типы макромолекул: белки, нуклеиновые, кислоты, полисахариды, липиды. В биомассе микроорганизмов обнаружены органогены: углерод, азот, кислород и водород, количественное содержание которых составляет 90— 97% на сухое вещество. На долю других, также исключительно важных для жизнедеятельности микроорганизмов элементов — Р, Б, К, Са, М£, Ре, Nя, С1, Мп и т. п. — приходится 3—10% состава клеточного вещества.
Эти процессы совершаются в присутствии биологических катализаторов (эндоферментов), находящихся внутри бактериальной клетки.По способу дыхания микробы делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные микробы, наприме<р уксуснокислые бактерии, плесени, нитрификаторы и другие, нуждаются в широком доступе свободного кислорода.
Микроорганизмы используют углерод различных соединений для построения своего тела, поэтому они являются активными участниками превращения углеродистых соединений в природе. Это можно проследить по схеме круговорота углерода в природе (рис. 83).
Микроорганизмы, невидимые под микроскопом, называются ультрамикробами. Из этой группы ультра-микроскопических форм наиболее важное значение в практической деятельности человека имеют бактериофаги — фильтрующиеся вирусы и невидимые формы бактерий. Например, размеры бактериофага дизентерии лежат в пределах от 100—150 мм,к. Размеры фильтрующихся вирусов: ящура 8—20 ммк, мозаичной болезни табака 12X400 ммк, а энцефаломиэлита 70—100 ммк. Наблюдать ультрамикробы удалось только в электронный микроскоп, дающий увеличение до 45 000 раз. Вирусы (рис. 85) представляют собой частицы, состоящие из белковых веществ и нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК ). Они не обладают обычной клеточной структурой. К неклеточной форме жизни относятся также бактериофаги (рис. 86), представляющие собой удлиненные образования с утолщенным концом .
О); солевой состав среды, осмотическое давление, поверхностное натяжение и активная реакция среды.Микроорганизмы приспосабливаются к окружающей среде и всякое нарушение оптимальных условий приводит к подавлению их развития и даже к отмиранию. Губительно действуют на микробную клетку изменение pH среды, нарушение кислородного режима, резкое изменение температуры, истощение питательных веществ, действие прямых солнечных лучей, а также и биологические факторы. Например, он и погибают вследствие лизиса (растворения их клеток бактериофагом) и вследствие антагонизма с другими бактериями.
Для бактериологического анализа проба воды отбирается в стерильную посуду и анализируется по возможности немедленно, так как бактериологическое население может измениться вследствие размножения или отмирания бактерий.
Инфекцией называется взаимодействие патогенных микробон с макроорганизмом в определенных условиях ¡внешней среды, в результате которого может возникнуть инфекционная болезнь. (Патогенность— это потенциальная способность некоторых виде» микроорганизмов вызывать инфекционный процесс.) Патогенные микробы характеризуются специфичностью, т. е. каждый микроо способен вызвать- определенный инфекционный процесс, Однако возможность возникновения и характер развития процесса, его тяжесть, продолжительность, исход в значительной мерс зависят не столько от микроба, сколько от степени реактивности и сопротивляемости организма человека или животного. Патогенные микробы могут находиться в организме здорового человека, не вызывая развития заболевания. Доказало, что недоедание, действие холода, алкоголя, физическое переутомление и т. д. способствует возникновению инфекционного заболевания.
О загрязнении воды ’патогенными (болезнетворными) микробами судят по наличию в ней бактерий группы кишечной палочки (Escherichia coli), обитающих в кишечнике человека и животных.Эти бактерии безвредны для человека, но ¡присутствие их в воде указывает на загрязнение воды выделениями человека и животных и сигнализирует о возможной опасности распространения через воду дизентерии, брюшного тифа, холеры и других тяжелых заболеваний.
Микрофлора воздуха. Воздух является плохой средой для развития организмов: в нем мало влаги, нет питательных веществ и губительно действуют на микробы прямые солнечные лучи. Микробы попадают в воздух вместе с пылью или с калельками жидкости (¡при чихании). Если оседает пыль, то с ней оседают и микробы.
Экология — наука о взаимном отношении организма (животного или растительного) и окружающей среды.В любом водоеме имеются весьма сложные биологические сообщества микроорганизмов. Каждой степени загрязненности воды органическими веществами соответствует определенная микрофлора и микрофауна. Отсюда возникает возможность для каждой степени загрязнения водоема (или зоны саиробности) установить показательные организмы, наличие которых в водоеме свидетельствует об определенном качестве воды, или по количеству микроорганизмов и водоеме можно установить степень загрязненности воды.
В очистке воды водоема принимают деятельное участие микрофлора и мнкрофауна, появляющиеся в водоеме в результате загрязненности воды органическими веществами. Мир организмов разнообразен. Определяют это разнообразие флоры и фауны водоемов экологические факторы, к которым относятся физический состав воды (плотность, вязкость, отношение к преломлению света, наличие органогенов и др.), условия освещения, снабжение кислородом, температурные условия и характер движения водных масс.
В загрязненных водах содержатся разнообразные органические вещества, находящиеся на различной стадии минерализации. При использовании микроорганизмов для уничтожения этих веществ в технике прибегают к созданию условий, благоприятствующих жизнедеятельности того комплекса организмов, который в данном случае является полезным. Воздействуя на направление биохимического процесса в желательную сторону, санитарная техника использует биологические особенности соответствующих групп организмов.
При очистке питьевой воды микроорганизмы задерживаются в процессе длительного отстаивания при фильтровании через мелкопористые фильтры и участвуют в обрастании труб.В отстойниках и в водоприемных колодцах протекают микробиологические процессы, связанные с разложением органического вещества в анаэробных условиях.
При очистке сточных вод, как правило, отделяют твердую фазу от жидкой; затем обрабатывают пх в аэробных или анаэробных условиях. При аэробных процессах создается активный ил, активная пленка, а при анаэробных — септический или сброженный осадок. В обоих случаях скорость процесса минерализации зависит от массы или, точнее, от поверхности участвующих микробов, от их контакта с загрязняющим воду веществом.
Биологические фильтры. Биофильтрами, или аэрофильтрами, называются очистные сооружения, состоящие из шлака, щебня и других материалов, орошаемые сточной жидкостью, прошедшей первичный отстойник.Биологические фильтры по их конструкции и производительности (на 1 м загрузочного материала) подразделяются на капельные, высоконагружаемые, башенные и пластмассовые.
Кислород воздуха способствует жизнедеятельности сапрофитным микроорганизмам, частично подавляя развитие патогенных микроорганизмов. Аэрация способствует также большему контакту активного ила с загрязнениями сточной жидкости.
Биоценоз активного ила. Активный ил в аэротенках образуется за счет суспензии сточной жидкости, адсорбции коллоидов и размножения на этом субстрате микроорганизмов.Основную часть активного ила составляют бактерии. На 1 г активного ила приходится 1 -1012 бактерий с суммарной поверхностью 1200 м2. Бактерии представлены а- и р-мезосапробными группами. Их видовой состав зависит от того, какими веществами загрязнена сточная вода. Биоценоз активного ила развивается в условиях ярко выраженных окислительных аэробных процессов, поэтому наряду с другими микробами в большом количестве содержатся в нем бактерии-иитрифнкаторы (до 3-107 па 1 г активного ила). Кроме одноклеточных бактерий в активном иле развиваются в небольшом количестве нитчатые бактерии, дрожжи и отдельные нити плесневых грибов. Микрофауна активного ила представлена в основном одноклеточными животными — простейшими, но в нем присутствуют также более сложно организованные представители животного мира, например коловратки и круглые черви. Из одноклеточных животных развиваются саркодовые, жгутиковые, ресничные и сосущие инфузории.
Условно степень очистки определяют также ио остаточному БПКполн очищенной сточной воды. При полной биологической очистке БПКлолн должно быть меньше 20 мг/л, а при неполной — больше 20 мг/л.Сточная жидкость, отстоянная в первичном отстойнике, поступает в аэротенк и смешивается с активным илом. Эта смесь усиленно аэрируется воздухом на всем протяжении аэротенка (см. рис. 101). Это необходимо не только для обеспечения сооружения кислородом, но и для поддержания ила-во взвешенном состоянии. Затем смесь поступает во вторичный отстойник, где происходит отделение ила от очищенной сточной воды. Осветленная жидкость поступает в обеззараживающую установку, а затем спускается в водоем. Ил после регенерации во вторичном отстойнике поступает снова в аэротенк и смешивается с вновь поступающей на очистку сточной жидкостью.
Для борьбы с развитием нитчатых микробов используют иодще-лачивание до pH 9—9,4 или подкисление до pH 5.Роль и значение отдельных групп организмов в механизме биохимической очистки сточных вод. Основными минерализаторами органических веществ являются бактерии. Саркодовые, питаясь иловыми частицами, переводят ряд сложных веществ в более простые и доступные для других групп организмов. Инфузории и другие простейшие, по мнению многих исследователей, выполняют роль регуляторов развития бактерий и тем самым создают благоприятные условия для процесса минерализации, способствуют флокуляции мелкодисперсной взвеси за счет выделяемой в среду слизи. Простейшие благоприятствуют накоплению в среде азота, повышая ценные качества активного ила как удобрения. Кроме того, простейшие и коловратки выполняют роль индикаторов , характеризующих работу очистных сооружений. Относительное развитие этих организмов при различной интенсивности работы сооружения приводится в табл. 22.
Биологические пруды. Биологические пруды предусматриваются для ДООЧИСТКИ биологически очищенных СТОЧНЫХ ВОД ВО всех климатических районах, за исключением районов Северной климатической зоны, где допускается их применение только в летнее время.
На этих сооружениях предусматривается полная биологическая очистка предварительно осветленных сточных вод.Биоценоз почвы слагается из бактерий, грибов, водорослей и животных (простейших и беспозвоночных). Микробное население почвы имеет двоякое происхождение. Оно состоит из бактериальной флоры сточной жидкости п из бактериальной флоры самой почвы. Обе эти группы микробов вступают между собой в сложные антагонистические и симбиотические взаимоотношения. Часть микробов погибает, а большинство приспосабливается к новым условиям и активно окисляет загрязняющие воду вещества.
Эффективность различных аэробных методов очистки сточных вод. Из всех перечисленных аэробных методов очистки сточных вод лучшие результаты дают почвенные очистные сооружения. Патогенные микроорганизмы совершенно не попадают в очищенные дренажные стоки. Эффект очистки воды от органических веществ на биофильтрах и аэротенках получается удовлетворительным, однако нет гарантии полной гибели патогенных микроорганизмов.
Для обработки осадка сточной жидкости применяются анаэробные процессы. Для этого устраиваются сооружения, рассчитанные на использование весьма сложного комбинированного процесса, возбуждаемого целым комплексом анаэробных микроорганизмов. Целью такой переработки является: 1) изменение физической структуры осадка, чтобы облегчить его последующее использование или уничтожение; 2) уменьшение массы осадка за счет превращения органического вещества в газы брожения и растворимые соли; 3) утилизация части органического вещества в форме газов брожения, а остаток от брожения в форме удобрения.
Септиктенк. Это сооружение представляет собой горизонтальный отстойник, через который медленно протекает сточная жидкость (рис. 106). Осадок из нее оседает на дно и хранится в нем до 12 месяцев. Со временем осадок расслаивается. Часть его всплывает наверх, образуя плавающий слой, который называют «коркой». При длительном хранении донный осадок уплотняется (до 85—88% влаги), загнивает и в пом протекают процессы брожения. Образующиеся при этом газы поднимаются наверх, увлекая за собой частички осадка, которые с,пинаются с коркой, увеличивая ее толщину. На корке развиваются различные грибьг, которые, пронизывая се своими нитями, увеличивают прочность корки.
В двухъярусном отстойнике активно работает микрофлора поверхностных слоев бродящего осадка, где влажность не ниже 94%. (Наблюдения различных исследователей показали, что распад осадка ослабевает с понижением его влажности.) Иловая жидкость обладает большой концентрацией гидрокарбоната аммония; это обусловливает ее высокую буферность. В результате этого pH иловой жидкости поддерживается в пределах от 6,5 до 7,8. В составе газов отсутствует сероводород, и сброженный осадок не обладает плохим запахом. Процесс распада органических веществ в двухъярусном отстойнике происходит гораздо глубже, чем в септиктепке. Причины благоприятного течения процесса в этом сооружении складываются из правильного соотношения септического ила и свежего осадка, лучшего перемешивания, чем в септиктенке, а также из частичной смены иловой воды во время выпуска зрелого осадка.