Природные, сточные и другие виды вод представляют собой сложные системы, основу которых составляет химическое соединение, имеющее простую формулу Н20. На первый взгляд, за этой формулой стоит ничем не примечательное соединение. При более глубоком ознакомлении со строением молекулы и свойствами воды выясняется, что она обладает рядом удивительных свойств.
Системой называют тело или группу тел, находящихся во взаимодействии и мысленно обособляемых от окружающей среды. Однородные системы, внутри которых не содержится поверхностей раздела, называются гомогенными. К ним относятся растворы твердых, газообразных, жидких веществ, смеси газов.
Образование водных растворов сопровождается изменением электрического момента диполя молекул воды, их пространственной переориентацией, изменением или разрывом водородных связей, т. е. определенной перестройкой внутренней структуры. Если размер молекул неэлектролита соизмерим с размером полости льдоподобного каркаса воды, то молекула внедряется в полость. Разветвленные молекулы могут занимать несколько полостей, мало изменяя при этом структуру воды.
Растворимость газов в воде. Газы, состоящие из полярный молекул (аммиак, хлороводород), растворяются в воде лучше, че?й газообразные неполярные соединения (водород, метан, азот). Та К, в 1 л воды при 0° С и давлении 101,325 кПа растворяется 505 л хлороводорода, но всего 0,002 л водорода. Растворимость некоторых газов в воде при 20° С и 101,325 кПа приведена ниже.
Между жидкой водой и паром устанавливается равновесие, которому соответствует при данной температуре определенное давление насыщенного пара. В водных растворах концентрация молекул воды снижается и тем сильнее, чем больше содержание растворенного вещества. Поэтому из фазы пара в жидкую начинают переходить молекулы воды до установления нового состояния равновесия. Вследствие этого давление насыщенного пара над раствором будет меньше, чем давление насыщенного пара над растворителем при той же температуре.
Под действием полярных молекул воды при растворении электролитов происходит диссоциация их молекул на ионы. По способности к образованию ионов в водных растворах электролиты делятся на ионизированные полностью, когда в растворе находятся только ионы (сильные электролиты), и слабые, в растворах которых наряду с ионами находятся и молекулы растворенного вещества. Способность вещества к образованию ионов количественно выражается степенью диссоциации а, представляющей собой отношение числа молекул, распавшихся на ионы, к общему числу молекул растворенного вещества. При уменьшении концентрации она возрастает и в сильно разбавленных растворах приближается к 100%.
Растворимость таких веществ, как СаС03, AgCl, РеБ, СиБ и многих других, не может быть выражена обычными способами ввиду исключительно малой величины самой растворимости. Однако абсолютно нерастворимых веществ нет. Для выражения растворимости практически нерастворимых веществ используется условная величина — произведение растворимости ПР.
Кинетика химических реакций изучает закономерности протекания химических процессов во времени. Следовательно, химическая кинетика — это учение о скорости химических реакций и зависимости ее от различных факторов.
Вода является малодиссоциированным соединением. Из 55,56 моля, содержащихся в 1 л воды, диссоциирует только 10-7 моля.Произведение активностей этих ионов есть постоянная величина и поэтому увеличение концентрации одного из ионов сопровождается соответственным уменьшением концентрации другого. Так как ионы водорода обусловливают кислотные свойства растворов, а гидроксид-ионы — щелочные, то при равенстве их концентраций реакция среды раствора будет нейтральной.
Реакция протекает между анионом соли и водой. Так как образующаяся уксусная кислота — соединение малодиссоциированное, то равновесие диссоциации воды нарушается и в растворе оказывается избыток гидроксид-ионов. Реакция среды растворов солей такого типа будет щелочной.
Многие технологические и биохимические процессы протекают при определенном pH, постоянство которого обеспечивают буферные растворы. Буферными называются растворы, pH которых не изменяется при прибавлении небольшого количества сильной кислоты или щелочи. Буферные растворы содержат компоненты, диссоциирующие с образованием одноименного иона, но отличающиеся.
Ионы водорода, обусловливающие кислотность воды, образуются при диссоциации свободных (сильных или слабых) кислот, некоторых кислых солей (например, гидросульфата натрия), а также вследствие гидролиза солей, образованных слабыми основаниями и сильными кислотами. При неполной диссоциации кислоты или частичном гидролизе соли концентрация свободных ионов Н+, находящихся в растворе, часто не соответствует концентрации водородных ионов, вступающих в реакцию нейтрализации с сильным основанием. Концентрация реально присутствующих ионов Н+ в растворе при данных условиях характеризуется активной кислотностью. Активная кислотность устанавливается при колориметрическом и потенциометрическом определении pH.
Воды, содержащие большое количество гуминовых соединений, имеют гуматную щелочность, которую определяют вытеснением гуминовых кислот из их солей действием сильной кислоты. Содержание различных форм щелочности можно вычислить по специальным номограммам.
Окислительно-восстановительные процессы сопровождаются оттягиванием или перемещением части или всех валентных электронов от ионов, атомов или молекул одного из веществ, вступающих в реакцию, к частицам другого реагирующего вещества. В окислительно-восстановительных реакциях одновременно, взаимосвязанно протекают два процесса: окисление и восстановление. Окисление связано с отдачей электронов отдельными атомами или группой атомов. Восстановление заключается в присоединении электронов отдельными атомами или группой атомов. Те атомы, ионы или молекулы, которые отдают электроны, называются восстановителями. Атомы, ионы или молекулы, которые присоединяют электроны, называются окислителями. В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель окисляется, а окислитель восстанавливается.
Водные ресурсы включают в себя все виды вод, пригодные для использования. Основная роль при определении водных ресурсов принадлежит пресным водам суши, так как они наиболее доступны и постоянно возобновляются. Характерной особенностью водных ресурсов является их неисчерпаемость при рациональном использовании. Превышение расхода воды в результате хозяйственной деятельности людей над естественным восполнением приводит к нарушению естественного равновесия. Так, чрезмерный расход подземных вод сопровождается понижением их уровня.
Природные воды представляют собой сложные системы, содержащие растворенные вещества в виде ионов и молекул, минеральные и органические соединения в форме коллоидов, суспензий и эмульсий. В воде растворены газы, входящие в состав атмосферы, а также вещества, образующиеся в результате жизнедеятельности водных организмов и протекания процессов химического взаимодействия в самой водной среде,(Формирование состава природных вод происходит в результате взаимодействия воды с окружающей средой—горными породами, почвой, атмосферой. При этом протекают процессы: а) растворение соединений; б) химическое взаимодействие веществ с водой и водными растворами; в) биохимические реакции; г) коллоидно-химические взаимодействия. Действие каждого из этих процессов определяется такими условиями взаимодействия веществ с водой, как температура, давление, геологические особенности. Fía формирование состава поверхностных, подземных и атмосферных вод заметно влияет усиливающаяся практическая деятельность человека.
Ионы Na+ и К+ встречаются почти во всех природных водах. Соли натрия, присутствующие в водяном паре, обусловливают пенистый переброс солей. Последнее делает нежелательным их присутствие в воде, идущей для питания паровых котлов среднего и высокого давления.
Выбор и оценка качества источника водоснабжения базируются на результатах изучения его санитарного состояния. При этом исследуются возможные источники загрязнения водоема, проводится химический и бактериологический анализ воды, указываются мероприятия, направленные на предотвращение загрязнения водоема, рассматриваются предполагаемые методы очистки воды и дается их технико-экономическое обоснование. Объем программы исследования водоема для определения возможности использования его в качестве источника водоснабжения определяется ГОСТ 17.1.3.03—77 «Правила выбора и оценка качества источников централизованного хозяйственно-бытового водоснабжения».
По величине общей жесткости природные воды делятся на следующие группы: вода очень мягкая (<1,5 мг-экв/л), вода мягкая (1,5—3,0 мг-экв/л), вода средней жесткости (3,0—5,4 мг-экв/л), вода жесткая (5,4—10,7 мг-экв/л), вода очень жесткая (>10,7 мг-экв/л).
Снижение концентрации ионов Са2+ и Д 2+ в воде (умягчение) может достигаться применением ряда методов (реагентных, ионного обмена и термических). Выбор метода и степень умягчения воды определяются требованиями, предъявляемыми к воде в данном технологическом процессе. Реагентные методы умягчения воды основаны на переводе ионов Са2+ и М§,2+ в труднорастворимые соединения (карбонаты, фосфаты и др.). Полного извлечения ионов Са2+ и Мц2+ при использовании этих методов не происходит, так как в растворе остается некоторое количество ионов. Концентрация их в воде будет зависеть от величины произведения растворимости образующихся труднорастворимых соединений.
Реагентные методы умягчения воды имеют ряд существенных недостатков. Они не дают достаточной степени умягчения, требуют значительного расхода реактивов и сложны по технологическому осуществлению. В настоящее время в практике водоподготовки стал широко применяться ионообменный метод умягчения воды. При этом обработка воды не сопровождается образованием осадка, отпадает необходимость непрерывного дозирования реагентов, достигается значительная степень умягчения, уменьшается солесодержа-ние обработанной воды.
Метод обработки воды, направленный на снижение общего со-лесодержания, называется обессоливанием. Различают полное и частичное обессоливание воды. При полном обессоливании достигаемое остаточное солесодержание составляет десятые или сотые доли миллиграмма в 1 л воды. Если из воды удаляются только отдельные ионы для уменьшения общего солесодержания, то такое обессоливание называется частичным. Полностью обессоленная вода необходима в теплоэнергетике, при производстве чистых химических материалов, полупроводниковых приборов и в некоторых других отраслях промышленности. Опреснение морской и минерализованной воды для получения воды питьевого или технического назначения представляет один из вариантов частичного обессоли-вания.
Диоксид углерода, растворяясь в воде, частично вступает с ней во взаимодействие с образованием угольной кислоты. Отдельно определить содержание диоксида углерода и угольной кислоты в воде трудно, поэтому суммарную концентрацию этих компонентов принимают за концентрацию свободной угольной кислоты. Так как только около 1 % растворенного диоксида углерода образует угольную кислоту, расчет содержания свободной угольной кислоты ведется на диоксид углерода С02своб. Концентрация свободной угольной кислоты в поверхностных водах определяется парциальным давлением диоксида углерода в атмосфере. Растворимость диоксида углерода в воде, отвечающая равновесному состоянию при атмосферном давлении, приведена ниже.
Воды, в которых имеется избыточное (над равновесным) содержание гидрокарбонатов, т. е. повышенная щелочность, называются нестабильными. Поскольку такие воды не насыщены свободной угольной кислотой, карбонатное равновесие в таких водах смещается в сторону разложения гидрокарбонатов. При наличии ионов Са2+, Mg2+ в нестабильной воде наблюдается отложение карбонатов на стенках аппаратуры.
Под коррозией металлов понимают их разрушение при взаимодействии с окружающей средой. В зависимости от механизма этого взаимодействия различают химическую, электрохимическую и биологическую коррозии.Более распространенной является электрохимическая коррозия, проявляющаяся при контакте металлов с растворами электролитов или влажным паром. Механизм этой коррозии заключается в образовании на поверхности раздела фаз микро- и макрогальвани-ческих элементов. В процессе работы таких элементов металл выполняет, как правило, роль анода, т. е. подвергается разрушению. Катодные участки могут быть представлены оксидами, включениями шлака, сульфидов, сплавов, заклепками, сварными швами и др. Электродный потенциал этих включений обычно выше, чем у чистого железа. Поэтому в образующейся гальванической паре происходит окисление железа: Ре°—2е->-Ре2+.
По отношению к бетону могут проявлять агрессивность различные виды природных и сточных вод. Существуют три вида разрушения бетона: 1) растворение и выщелачивание составных частей бетона — обменные реакции, сопровождающиеся образованием растворимых соединений; 2) реакции обмена, в результате которых образуются в бетоне рыхлые осадки, не проявляющие вяжущих свойств, способные вымываться во внешнюю среду; 3) реакции, при которых образуются труднорастворимые соединения, объем которых превышает объем составных частей бетона. Классификация эта условна. На практике встречаются виды коррозии, ь которых проявляются признаки, характерные как для первого, так и для второго вида коррозии. Скорость процесса коррозии и его интенсивность зависят как от состава и качества, бетона, так и характеристики внешней среды (химический состав, солесодержание воды, коэффициент фильтрации ее через грунт, условия омывания бетона водой и др.). В зависимости от химической природы коррозионного агента различают следующие виды коррозии бетона в воде: 1) кислотную; 2) углекислотную; 3) выщелачивающую; 4) магнезиальную; 5) сульфатную.
Согласно принципу минимума энергии система тел находится в устойчивом равновесии тогда, когда свободная энергия системы .имеет наименьшую величину. Поэтому поверхностная энергия частиц высокой степени дисперсности имеет тенденцию к уменьшению. Зто может быть достигнуто укрупнением частиц, связанным с уменьшением общей поверхности или путем концентрирования на поверхности частицы (молекул или ионов) другого вещества. Процесс концентрирования растворенного или парообразного вещества л(газа) на поверхности твердого вещества или жидкости называется сорбцией. Вещество, на котором идет сорбция, называется сорбентом, а сорбируемое вещество — сорбатом. Сорбция, происходящая на поверхности вещества, называется адсорбцией, а сопровождающаяся проникновением поглощаемого вещества внутрь поглотителя— абсорбцией. При этом поглощенное вещество называется сорбтивом.
Природные воды являются полидисперсными системами, т. е. в них могут содержаться одновременно частицы, размеры которых соответствуют размерам коллоидных и грубодиспергированных частиц. Освобождение воды от грубодисперсных примесей осуществляется в процессе отстаивания. Коллоидные примеси при отстаивании воды не удаляются.
Растворимость сульфата алюминия составляет при 20° С 362 г/л. Этот коагулянт применяется для осветления и обесцвечивания воды. Плотность образующихся хлопьев гидроксида алюминия 2,4. При отсутствии щелочного резерва в воде сульфат алюминия вызывает резкое снижение pH (до 4,5) и вода становится агрессивной по отношению к железу и бетону.
В практике водоочистки применяются методы удаления коллоидных примесей воздействием на них электрическим полем. Преимущества такого метода заключаются в отсутствии реагентного хозяйства, компактности установок и возможности автоматизации процесса. По механизму действия электрического поля на коллоидные частицы можно выделить два направления: электрокоагуляцию и электрофорез.
Это объясняет образование бурого осадка при стоянии прозрачной артезианской воды и постепенное побурение на воздухе зеленоватого налета (гидроксида железа (II)), взятого со дна родников, Окисление железа (II) может происходить с участием железобактерий, использующих энергию окисления для жизнедеятельности. Если концентрация железа выше 0,3 мг/л, то вода приобретает неприятный железистый привкус. Отдельные отрасли производства предъявляют более строгие требования к содержанию железа в воде, например при производстве вискозного волокна оно должно составлять не более 0,03 мг/л, кинопленки — 0,05 мг/л.
В институте ВОДГЕО разработан метод обескремнивания, основанный на фильтровании воды через фильтр, загруженный магнезиальным сорбентом. Такой сорбент получается обработкой каустического магнезита или хлорида магния раствором соляной кислоты с последующим высушиванием (80—100°С). Такие фильтры установлены на Череповецкой ТЭЦ. Их производительность оценивается следующими показателями: снижение содержания 5Ю2 от 2—4 до 0,3—1,0 мг/л, кремнеемкость (по БЮг) 91 кг на 1 т сорбента.
Содержание фтора в природных водах может составлять от сотых долей мг/л до нескольких десятков мг/л. В воде большинства поверхностных водоемов содержание фтора не превышает 0,5— 0,7 мг/л. В подземных минерализованных водах концентрация фтора обычно выше 1 мг/л. В южных засушливых районах содержание фтора в воде выше, чем в средней полосе и северных областях. Так, в Казахстане в водах поверхностных водоемов концентрация фтора достигает 10 мг/л. Основная форма содержания фтора в воде — фторид-ион р-. Фтор является биологически активным элементом. При недостаточном содержании фтора в воде наблюдается кариес зубов, а при концентрации в воде фтора выше допустимой развивается флюороз («пятнистая эмаль»).
Процесс удаления растворенных газов из воды называется дегазацией- В воде, используемой для технологических нужд, часто является нежелательным присутствие таких газов, как сероводород, кислород, диоксид углерода. Для удаления растворенных в воде, газов применяются физические и химические методы.
Хлорирование воды для снижения содержания органических веществ обычно проводится повышенными дозами хлора перед обработкой воды. Доза введенного хлора может достигать 20—30 мг/л. Если хлорирование для улучшения органолептических свойств воды проводится после очистки, то часто возникает необходимость дехлорирования воды, так как доза хлора при этом выше, чем необходимо для обеззараживания воды. Для снижения цветности воды на 3 град требуется 1 мг хлора при дозе 5 мг/л. Хлорирование с аммонизацией эффективно лишь для предотвращения запахов хлорфенолов. Оптимальная доза хлора выбирается по точке перелома на кривой хлоропоглощения. Доза перманганата калия при перхлорировании воды обычно составляет 0,3—0,5 мг/л.
Процесс обработки воды, проводимый для полного удаления патогенных и снижения общего числа микроорганизмов, называется обеззараживанием. Оно может осуществляться химическими и физическими методами. К химическим методам относятся хлорирование, озонирование, обработка солями тяжелых металлов и др. Обеззараживание воды физическими методами заключается в воздействии на микроорганизмы ультрафиолетовых лучей, ультразвука, высокой температуры. В последние годы изучается возможность использования для обеззараживания воды методов электрофореза, электрокоагуляции, электрического разряда, комплекса электрических воздействий, гиперфильтрации, ионизирующих излучений.
Нормальный окислительный потенциал хлора равен 1,36 В.Хлорноватистая кислота очень слабая, выделяется из солей при взаимодействии их даже с угольной кислотой, является сильным окислителем. В растворах диссоциирует с образованием гипохло-рит-иона: НС10 Н++С10 . Константа диссоциации хлорноватистой кислоты при 18° С равна 3,7 • 10 8.
Метод обеззараживания воды солями тяжелых металлов называется олигодинамией, Он основан на том, что ионы тяжелых металлов, взаимодействуя с цитоплазмой клеток микроорганизмов, вызывают нарушения, ведущие к их гибели. В качестве обеззараживающих средств применяются соединения серебра и меди (II).
Озон разлагается с выделением теплоты. При распаде 2 моль озона с образованием кислорода выделяется 297,4 кДж. Бактерицидное действие озона связано с протеканием реакций окисления (озонолиз). Вступают в реакции также свободные радикалы, образующиеся при разложении озона в воде. Озон, являясь сильным окислителем, разрушает ароматические ядра, но не действует на пиридиновые кольца. Полная гибель спор наблюдается только при дозе озона 10 мг/л и выше. Кишечная палочка практически полностью отмирает при дозе озона 2 мг/л. При остаточной дозе озона 0,3 мг/л инактивация вирусов на 99,99% наблюдается через 4 мин. Бактерицидное действие заметно проявляется при концентрации озона в воде выше 0,1 мг/л. Время контакта озона с водой, необходимое для обеззараживания, составляет 3—10 мин. Доза озона, необходимая для обеззараживания, составляет 1—4 мг/л. Она выбирается пробным озонированием воды, контроль обеззараживания ведется по остаточному озону. Концентрация остаточного озона, равная 0,05—0,1 мг 03/л, обеспечивает бактерицидный эффект при озонировании очищенной воды.
Обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением. Применение ультрафиолетового излучения для обеззараживания воды основано на том, что ультрафиолетовая часть спектра, соответствующая длине волн света от 200 до 300 нм, обладает сильно выраженный бактерицидным действием. Эта биологически активная часть ультрафиолетовой части спектра называется бактерицидной. Максимум бактерицидного действия проявляется у излучения с длиной волны 260 нм. Об эффективности действия излучений с различной длиной волны света можно сделать вывод по следующим данным: если условно принять бактерицидное действие ультрафиолетового излучения с длиной волны 253 нм за единицу, то воздействие излучения с длиной волны 365 нм будет ниже в 4000, а с длиной волны 546 нм — в 30 000 раз меньше.
Сточные воды делятся на бытовые, производственные и ливневые. Они отличаются друг от друга своим происхождением, составом, биологической активностью и в связи с этим — способами очистки. Сравнительная характеристика бытовых и производственных сточных вод приведена в табл. 10 (С. Н. Черкинский).
Бытовые сточные воды образуются в результате практической деятельности и жизнедеятельности людей. При этом изменяются физические и химические свойства воды, а также ее бактериальная загрязненность. Химический состав бытовых вод в отличие от производственных сточных вод не подвержен значительным качественным изменениям. Данные о количестве загрязнений, которые поступают в бытовые сточные воды от одного жителя в течение суток при наличии централизованного водоснабжения, приведены ниже.
По мере развития промышленности все большее значение приобретает проблема охраны водоемов от загрязнения их сточными водами. В последние годы проблеме очистки водоемов от загрязнения сточными водами уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Успешное развитие социалистической экономики и плановое ведение хозяйства способствовало разработке единого плана охраны водоемов от загрязнения. Обобщение данных по всей стране привело к выработке «Основ водного законодательства Союза ССР и союзных республик», принятых в декабре 1970 г. Верховным Советом СССР, в которых изложены общие положения о порядке потребления природных вод, организации их охраны, исключения возможности их вредного воздействия. Данным законодательным актом предусматривается установление государственного учета и планирования использования природных вод.
В докладе экспертов Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) на VII конгрессе по водоснабжению (Женева, 1967) дается следующая классификация видов загрязнений воды: 1) бактериальное загрязнение (бактерии, вирусы, болезнетворные микроорганизмы) ; 2) биохимически окисляющиеся органические соединения, которые вызывают запахи и привкусы воды; 3) неорганические соли, которые не удаляются обычными методами и могут вызвать полную непригодность воды для хозяйственно-бытовых и производственных нужд; 4) неорганические соединения, являющиеся питательными веществами для растений (нитраты, фосфаты, калийные соли). Они вызывают усиление роста водной растительности, способствуют «цветению» водоемов, ухудшают качество питьевой воды; 5) нефтепродукты, которые затрудняют реаэрацию водоема, оказывают неблагоприятное воздействие на водные организмы, ухудшают органолептические свойства воды; 6) токсичные соединения (соли тяжелых металлов, окислители, вещества общеядовитого действия, различные органические соединения).
Анализ сточных вод. Анализ сточных вод необходим для определения возможности спуска их в водоем, метода очистки и для выяснения содержания в них ценных или токсичных примесей. В отличие от анализа природных вод здесь не требуется определения всех компонентов и можно ограничиться характеристикой группы веществ, содержащих какой-либо элемент. Задачи анализа сточных вод заключаются в составлении общей характеристики сточных вод и их примесей, определении особо важных примесей и их концентрации.
Нормативные показатели, принятые в нашей стране, определяют качество воды в водоеме независимо от состава попадающих в него сточных вод. Это связано с тем, что критерием токсичности сточных вод является ограничение, а то и невозможность использования воды водоема для целей водоснабжения вследствие ее загрязнения. Законодательно утвержденные предельно допустимые концентрации (ПДК) различных веществ в воде водоемов обеспечивают ее качество, исключающее отрицательное воздействие на организм человека и затрудняющее условия водопользования. Значения ПДК веществ-загрязнителей характеризуют состав воды у тех мест водопользования, которые находятся ниже выпуска сточных вод. При этом учитывается возможность использования водоема в качестве водоисточника, а также его рыбохозяйственное и гигиеническое значение. При достаточном удалении места водопользования от места выпуска сточных вод определение ПДК вредных веществ проводится с учетом разбавления воды (в расчете на минимальное) и возможности устойчиво протекающего и хорошо изученного процесса самоочищения.
Очистка производственных сточных вод предназначается для удаления загрязняющих примесей, извлечения содержащихся в них ценных веществ и обеззараживания воды перед спуском в водоем.В зависимости от характера и степени изменения свойств примесей в процессе обработки различают регенеративные и деструктивные методы очистки сточных вод. Удаление примесей из сточных вод при использовании регенеративных методов очистки идет практически без изменения химического строения примесей. Эти методы перспективны для применения в системах оборотного водоснабжения и для создания бессточных технологических процессов. Регенеративные методы наиболее эффективны по технико-экономическим показателям, так как позволяют сократить расход воды, затраты на очистку стоков и возвратить в производство полезные продукты. К регенеративным методам относятся экстракция, эва-порация, ионный обмен и др. Деструктивные методы очистки сточных вод основаны на глубоком изменении химического строения примесей, что способствует переходу их в менее сложные или нетоксичные соединения. К деструктивным методам очистки сточных вод относится биологическая очистка и многие химические способы.
Коагулирование. Этот метод используется для выделения из сточных вод взвешенных и коллоидных примесей. Механизм процесса коагулирования сточных вод аналогичен тому, который был рассмотрен при обработке природных вод. Но переносить его механически на обработку сточных вод нельзя, так как состав примесей сточных вод не отличается таким постоянством, как в природных. Коагулянт необходимо, выбирать так, чтобы знак заряда его коллоидных частиц был противоположен знаку заряда частиц примесей. Вследствие малой агрегативной устойчивости взвешенных веществ доза коагулянта для их удаления будет меньше, чем для коагуляции коллоидных примесей. При коагулировании удаляются примеси, обусловливающие мутность, цветность воды, снижаются ХПК и ВПК. Наряду с сульфатом алюминия в качестве коагулянтов широко используются хлорид железа (III), сульфат железа (II), хлорид алюминия, основной хлорид алюминия, катионные полиэлектролиты (ВА-102, ВА-212 и др.). Если производственные сточные воды не имеют достаточного щелочного резерва, необходимо проводить коагулирование с подщелачиванием.
В сточных водах многих производств часто содержатся высокотоксичные соединения: цианиды, соли тяжелых металлов, некоторые органические вещества. Предварительное удаление таких веществ из сточных вод является необходимым. Очистка сточных вод, содержащих такие примеси, часто проводится с применением химических методов. Они основаны на осуществлении химических реакций, в результате которых образуются труднорастворимые соединения, происходит окисление или восстановление примесей, превращение токсичных соединений в нетоксичные. Избыток щелочности и кислотности из сточных вод удаляется методом нейтрализации.
Концентрированные жидкие отходы, содержащие горючие токсичные соединения, тоже могут обезвреживаться термическим методом, но условия обработки будут отличаться от условий сжигания бытовых отходов. Так, серьезной проблемой, возникающей при термической обработке токсичных соединений, является очистка отходящих газов.
В природных водах содержится до 50 радиоактивных изотопов, многие из которых имеют большой период полураспада, но их количество крайне мало. В сточных водах радиоактивные изотопы могут быть в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. При попадании в водоем они могут переходить в донные отложения в результате образования труднорастворимых соединений и в значительной степени аккумулироваться водными организмами, особенно микроорганизмами планктона. Концентрация радиоактивных изотопов в них может в тысячи раз превышать их содержание в воде. Такие радиоактивные изотопы, как 32Р, 905г, могут усваиваться микроорганизмами и затем передаваться другим более высокоорганизованным организмам (рыбам, ракообразным) по трофической цепи.
Микробиология — наука о живых организмах, имеющих малые размеры и не видимых невооруженным глазом. Задача микробиологии заключается в изучении строения и закономерностей развития микроорганизмов с целью выяснения роли их в процессах превращения веществ, возможности управления этими процессами. Микроорганизмы имеют исключительно важное значение в круговороте веществ в природе. Одни микроорганизмы осуществляют распад сложных соединений в процессе разложения органических остатков, а другие в процессе жизнедеятельности синтезируют органические вещества из простых неорганических соединений (диоксида углерода, атмосферного азота и др.). Некоторые микроорганизмы могут вызывать болезни, а другие используются для лечения ранее не излечимых заболеваний. Микроорганизмы способствуют образованию почв, под их воздействием образуются отложения некоторых полезных ископаемых (например, некоторых видов железных и серусодержащих руд). В нашей стране создана микробиологическая отрасль промышленности, одной из задач которой является получение кормовых белков из отходов нефтеперерабатывающих заводов.
Рассмотрим отличительные морфологические признаки основных групп микроорганизмов.Вирусы. Это — микроорганизмы, не имеющие клеточного строения. Размеры структурных единиц вирусов (вирионов) колеблются от 10 до 300 нм. В состав вирионов входят молекулы рибонуклеиновой (РНК) или дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот, окруженные белковой оболочкой. Вирусы имеют разнообразную форму: кубическую, сферическую, палочковидную и др. Размножение вирусов осуществляется простым делением или более сложным путем только внутри клеток живого организма. Вирусы обладают специфичностью действия, т. е. отдельные группы вирусов поражают определенные живые организмы.
Конструктивный и энергетический обмен. Физиология изучает процессы, протекающие в живом организме, и их закономерности. Современная материалистическая физиология основана на принципе единства организма с окружающей средой. Взаимодействие организма со средой проявляется в обмене веществ и энергии (метаболизм). Он включает в себя два процесса: конструктивный обмен (ассимиляция, или анаболизм) и энергетический (диссимиляция, или катаболизм). В основе конструктивного обмена лежат биохимические реакции, в процессе которых усваиваются вещества, поступающие из окружающей среды, и идет создание биомассы клетки. Сущность энергетического обмена заключается в разрушении веществ, содержащихся в организме, преимущественно в результате гидролитических и окислительных процессов, сопровождающихся выделением энергии, необходимой для биосинтеза. Оба процесса в клетке идут одновременно и сочетаются друг с другом. Энергия, полученная клеткой в процессе обмена веществ, аккумулируется в соединениях, содержащих химические связи, при разрыве которых выделяется большое количество энергии (макроэргические). Часто это соединения с фосфатными связями, например аденозинтрифос-фат (АТФ). По мере надобности эти вещества подвергаются гидролитическому распаду, сопровождающемуся выделением энергии.
В это время наблюдаются наиболее оптимальные условия для развития микроорганизмов, заключающиеся в достаточном количестве питательных веществ и при небольшом содержании продуктов обмена в окружающей среде. В логарифмической фазе скорость роста не изменяется — это период непрерывного роста культуры. По мере расходования питательных веществ и накопления метаболитов скорость размножения микроорганизмов постепенно снижается и фаза замедленного роста переходит в стационарную, в которой количество вновь образующихся клеток примерно соответствует количеству отмирающих. Дефицит питательных веществ и повышающаяся концентрация продуктов обмена в окружающей среде способствуют отмиранию клеток микроорганизмов (фаза отмирания).
Микроорганизмы почвы. Почва — наиболее благоприятная среда обитания для микроорганизмов. В ней имеется большое количество питательных веществ в форме органических остатков, необходимое количество влаги, близкая к оптимальной температура. Количественное содержание микроорганизмов в почве может подвергаться значительным колебаниям в зависимости от характера и типа почв, степени аэрации, pH, времени года, удаления от поверхности земли и других факторов. Оно колеблется от 300 до 3000 млн. микроорганизмов в 1 г почвы. В хорошо аэрируемых почвах содержится большое количество микроорганизмов, так как многие из них являются аэробами. Кислые почвы менее благоприятны для жизнедеятельности микроорганизмов, так как большинство из микроорганизмов развивается в нейтральной или слабощелочной среде.
Создание научной основы рационального использования ресурсов водоемов невозможно без изучения жизнедеятельности водных микроорганизмов, определения их роли в процессе самоочищения водоемов, влияния на формирование химического свойства природных вод, выяснения закономерностей биохимических процессов превращения элементов в водной среде.
Бактериологические показатели качества воды являются частью-исследования свойств вод любого состава, происхождения и бактериальной загрязненности. Бактериологические показатели более чувствительны при определении степени загрязнения водоема бытовыми сточными водами, чем результаты химического исследования. Так, по содержанию бактерий-сапрофитов можно обнаружить загрязнение воды органическими биологическими разлагаемыми соединениями при разбавлении в десятки и сотни тысяч раз. Высокая чувствительность микробиологических методов исследования имеет большое значение в деле охраны водной среды от загрязнения.
В качестве санитарно-показательных организмов, применяемых для оценки вероятности содержания в воде патогенной микрофлоры, используют микроорганизмы, для которых постоянной средой обитания является кишечник человека и животных. Количественный учет микроорганизмов — индикаторов загрязнения позволяет дать более точную оценку степени бактериального загрязнения воды. Основные требования, предъявляемые к санитарно-показательным микроорганизмам: 1) они должны иметь общую естественную среду обитания с патогенными микроорганизмами и выделяться во внешнюю среду в большом количестве; 2) во внешней среде санитарно-показательные микроорганизмы должны по возможности равномерно распределяться и быть более устойчивыми, чем патогенные. Они должны дольше сохраняться в воде, практически не размножаясь, иметь большую устойчивость к воздействию различных неблагоприятных факторов, у них должна возможно в меньшей степени проявляться изменчивость свойств и признаков; 3) методы определения санитарно-показательных микроорганизмов должны быть простыми, быстрыми и иметь достаточную степень достоверности.
Интенсивность, характер и продолжительность воздействия поступающих в водоем загрязнений на санитарный режим, химический состав воды и условия жизнедеятельности водных организмов определяется их свойствами. Так, соединения-восстановители, легко окисляющиеся растворенным в воде кислородом, вызывают резкое нарушение санитарного режима водоема сразу же после спуска сточных вод. И, наоборот, некоторые биологически нераз-лагающиеся органические соединения (хлорорганические пестициды) могут обнаруживаться в воде далеко (за десятки и даже сотни километров) от места их поступления в водоем. Нарушение жизнедеятельности водных организмов, ухудшение качества воды может вызываться соединениями, продуцируемыми некоторыми группами микроорганизмов в самом водоеме.
Для оценки санитарного состояния водоема наряду с физикохимическими и бактериологическими методами исследования используется гидробиологический метод, основанный на изучении видового и количественного состава водных организмов биоценозов. На основании полученных данных можно сделать вывод о степени и продолжительности загрязнения водоема и о его способности к самоочищению.
В результате спуска сточных вод происходит загрязнение водоема, проявляющееся в нарушении процессов жизнедеятельности водных организмов и изменении качества воды. Сточные воды, попадая в водоем, способствуют увеличению мутности воды, изменению ее химического состава, pH, уменьшению содержания растворенного кислорода, снижению окислительно-восстановительного потенциала, резкому увеличению количества микроорганизмов, среди которых могут быть и патогенные. Нарушение нормального режима водоема прежде всего проявляется в значительном поглощении растворенного кислорода. Сточные воды несут иногда порядка нескольких тысяч мг/л взвешенных веществ. Производственные сточные воды часто содержат вещества, губительные для водных организмов. Бытовые сточные воды вносят в водоемы органические соединения и являются источником патогенных микроорганизмов и гельминтов.
Вещества, образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, как и сами микроорганизмы, могут стать причиной ухудшения качества воды, особенно в водоемах с замедленным стоком. Возможны также нарушения в работе гидротехнических сооружений. Наиболее частыми проявлениями жизнедеятельности микроорганизмов, которые затрудняют процесс самоочищения в водоемах, эксплуатацию водозаборов и систем охлаждения, вызывают изменение качества воды, являются цветение водоемов, обрастания, появление запахов и привкусов у воды. Формирование водохранилищ связано с уменьшением скорости течения воды, в результате чего гидрохимический режим крупных водохранилищ становится близким к режиму озер. При зарегулировании речного стока время прохождения воды от истока до устья возрастает в 10—15 раз. Так, в Волге до зарегулирования стока вода доходила от Рыбинска до Волгограда в половодье за 30 сут, а в межень — за 50. После формирования каскада водохранилищ время прохождения воды на этом участке увеличилось до 450—500 сут. Замедление водообмена в речной системе сопровождается значительными изменениями гидрохимического и гидробиологического режима. Водохранилища работают, как гигантские отстойники, поэтому в них наблюдается концентрирование загрязнений. Поступление органических и токсичных соединений, биогенных элементов способствует возникновению условий для эвтрофикации водоема, нарушению процесса самоочищения, зарастанию, т. е. массовому развитию высшей водной растительности.
Полная биологическая очистка сточных вод является эффективным способом предотвращения загрязнения водоемов биохимически разлагаемыми органическими соединениями. Сущность ее заключается в разложении органических веществ, содержащихся в сточных водах, в результате жизнедеятельности микроорганизмов. На очистных сооружениях городской канализации биологической очистке подвергаются бытовые и производственные сточные воды. Последние по мере необходимости, например при наличии токсичных соединений, подвергаются предварительной обработке.
Действующим началом при очистке сточных вод в аэротенках является активный ил, представляющий собой частицы органических веществ, населенные различными группами микроорганизмов— аэробов и факультативных анаэробов. Аэрация воды способствует созданию оптимальных условий для их жизнедеятельности и интенсификации процессов окисления органических веществ. Кроме того, перемешивание воздухом способствует поддержанию активного ила во взвешенном состоянии.
Сущность данных методов заключается в фильтрации сточных вод, содержащих органические вещества, через слой почвы. Очистка воды при этом осуществляется под воздействием физических, химических и биологических факторов.