Химия природных вод, или гидрохимия, как самостоятельная научная дисциплина сформировалась сравнительно недавно. Этому способствовало прежде всего все возрастающее значение сведений о химическом, составе природных вод для народного хозяйства и для таких наук, как геохимия, гидрология, почвоведение и гидробиология. Химию природных вод можно рассматривать и как часть более обширной науки о химии земной коры — геохимии или общей науки о водах на поверхности суши — гидрологии.
Гидрологический режим, или режим вод, представляет собой совокупность характерных особенностей изменения состояния водных объектов во времени. При изучении гидрологического режима рек-учитываются сезонные и суточные колебания следующих основных показателей: а) уровня воды (режим уровней), б) водности (режим стока), в) ледовых явлений (ледовый режим), г) температуры воды (термический режим), д) количества и состава переносимых потоком твердых веществ (режим наносов), е) состава и концентрации растворенных веществ (гидрохимический режим).
Для поддержания определенной концентрации бикарбонат-ных ионов требуется, чтобы в воде присутствовало соответствующее количество свободной углекислоты, называемое равновесной углекислотой. При избытке С02 будет наблюдаться »«■«■% растворение карбоната кальция, что весьма нежелательно при контакте воды с бетонными сооружениями. При недостатке СОг будет наблюдаться тенденция к выпадению осадка карбоната кальция в результате связывания углекислоты ионами Са2+, обычно присутствующими в природных водах.
Рассмотрим лишь наиболее важный, с точки зрения очистки воды, вид адсорбции, а именно — адсорбцию из растворов на твердом сорбенте. При рассмотрении адсорбции из растворов на твердом теле принято различать два случая: 1) молекулярную адсорбцию, или адсорбцию неэлектролитов и 2) адсорбцию ионную, или адСорбцию электролитов.
К числу электрохимических методов, которые применяются или могут найти применение в процессах очистки природных и сточных вод, относятся, помимо электрохимического окисления— восстановления, электродиализ, электрофорез и электроосмос.
Принцип обращенного осмоса заключается в фильтровании воды под давлением через полупроницаемые мембраны, пропускающие воду, но задерживающие гидратированные ионы растворенных в ней солей. Для осуществления этого процесса необходимо заставить воду фильтроваться через мембрану в направлении, обратном обычному осмотическому переносу, прилагая давление, по величине превышающее осмотическое давление.
Микробиология изучает микроскопические, невидимые невооруженным глазом организмы — микробы, их строение, жизнедеятельность и изменения, вызываемые ими в окружающей природе. Термин микробиология происходит от греческих слов «микро» — малый, «биос» — жизнь и «логос» — наука, т. е. «наука о жизни малых».
Микробы имеют также чрезвычайно малый вес. Бактерия среднего размера весит 4• 10“12 г, или 0,000004 мкг.Различают следующие основные формы бактерий: шаровидную, палочковидную и извитую (рис. II—1).Шаровидные бактерии — кокки — встречаются в виде одиночных клеток — микрококков или соединенных друг с другом попарно диплококков, по четыре — тетракокков, в виде цепочек— стрептококков, пакетов из 8—16 клеток — сарцин (их деление происходит в трех измерениях) и гроздей — стафилококков (их деление происходит в трех измерениях, но не под прямым углом, а беспорядочно).
Ферменты и их значение в процессе обмена веществ. Большая скорость обмена веществ в микробных клетках обусловлена наличием особых биологических катализаторов — ферментов, или энзимов. В клетках живых организмов имеются ферментные системы, представляющие собой сложные наборы ферментов; при их участии происходит синтез различных составных частей клетки и распад, клеточных белков, углеводов и жиров. Ферменты создают возможность таких химических превращений, которые вне живой клетки происходят только при высоких температурах или при действии сильных химических реактивов. Так, например, сахар, крахмал и другие углеводы устойчивы по отношению к кислороду: для окисления они должны быть подвергнуты действию высоких температур, при которых сгорают, образуя углекислый газ и воду. Однако в живой клетке они под влиянием, ферментов подвергаются тем же превращениям при обычной температуре.
Два атома водорода в дальнейшем ходе брожения либо присоединяются к промежуточному продукту брожения, либо выделяются в молекулярной форме.Более подробно все возможные варианты будут рассмотрены на примере отдельных типов брожений.
Аммонификация. В растительных и животных остатках, попадающих в почву и водоемы, всегда содержатся органические азотсодержащие вещества — белок и мочевина. Под действием микроорганизмов происходит минерализация этих веществ, сопровождающаяся накоплением аммиака. Разложение белка связано с развитием гнилостных микроорганизмов. Это сложный, многоступенчатый процесс, начинающийся с расщепления белков на пептоны под действием микробных ферментов про-теиназ. Далее пептоны расщепляются до аминокислот при участии ферментов пептиназ. Образующиеся в процессе распада белков различные аминокислоты в свою очередь подвергаются разложению.
Существует ряд инфекционных заболеваний, возбудители которых могут передаваться человеку через воду, например холера, брюшной тиф, дизентерия, туляремия, лептоспирозы, полиомиелит.Большинство промышленных сточных вод не содержат возбудителей заболеваний. Инфицированными могут быть лишь сточные воды ограниченного круга производств: боен, мясо комбинатов, кожевенных заводов, меховых фабрик, шерстомоек. Наибольшую опасность представляют бытовые хозяйственнофекальные сточные воды населенных мест и промышленных предприятий. Когда производственные воды при совместной очистке смешиваются с бытовыми стоками, опасность в эпидемиологическом отношении не устраняется и инфицированной считается вся смесь этих сточных вод. Поэтому, чтобы обеспечить гибель патогенных микробов, находящихся в сточных во дах, и предотвратить их попадание в водоемы и дальнейшее заражение источников водоснабжения, необходимо знать методы санитарно-бактериологического исследования и обеззараживания воды.
Почвенные методы очистки. Полями орошения называются земельные участки, специально приспособленные для очистки сточных вод и одновременного выращивания сельскохозяйственных культур. Подача сточных вод на поля сельскохозяйственных культур не всегда возможна, например во время дождей, уборки урожая и производства сельскохозяйственных, работ. Для принятия сточных вод в эти периоды используются поля фильтрации, которые устраиваются в виде резервных участков и не предназначаются для выращивания растений.