Кроме мира, видимого невооруженным человеческим глазом, везде вокруг нас — в воздухе, почве, воде, на окружающих предметах — незримо присутствует мир невидимый, о чем можно узнать, лишь вооружив глаза оптическими приборами, увеличивающими поле зрения в тысячи и десятки тысяч раз.
Морфология — это наука, изучающая внешний вид, форму организма. Разумеется, морфология неразрывно связана с физиологией, однако здесь, в целях удобства изложения, оба эти раздела даются отдельно.Бациллы по внешнему виду подразделяются на две группы. Первая группа представляет собой толстые цилиндры с тупыми, закругленными концами, вторая группа — тонкие цилиндры с заостренными концами.
Физиология — это наука, которая изучает процессы, происходящие в организме. Процессы эти очень сложны, и каждый из них протекает не изолированно, а находится во взаимной связи с другими процессами, со всем организмом в целом. В свою очередь, организм живет в окружении внешней ореды, которая так или иначе влияет на него. Уже из этих кратких положений .видно, насколько сложна наука, называемая физиологией.
Первичными живыми капельками на поверхности нашей планеты были, как их называет академик Опарин, к о а ц е р в а т ы. Коацерваты постепенно совершенствовались, структура их усложнялась и, наконец, появились первые микробы. Они были еще очень примитивны и в современных условиях быстро бы погибли. Однако в условиях той эпохи они могли свободно жить и размножаться.
Можно ¡предполагать, что бактерии, как организмы одноклеточные, появились на земле много миллионов лет назад. В процессе эволюции ряд -бактериальных видов приспособился к жизни в специфической обстановке, непригодной для других живых существ. Поэтому одни микробы живут в горячих подземных источниках, имеющих температуру +70° С, другие—в холодных водах Арктики, третьи питаются раствором такого дезинфицирующего вещества, как карболовая кислота, и т. д. В целях систематизации факторов, влияющих на развитие бактерий, их разделяют на: 1) физические, 2) химические и 3) биологические.
Температура. Это — фактор первостепенного значения, поскольку температура регулирует жизненные процессы всякой живой клетки. В связи с этим интересно отметить, что минимальные, максимальные и оптимальные температуры, при которых может существовать тот или иной микроб, в точности соответствуют температурным границам бактериальных энзиматических процессов.
Общие положения. Ряд химических веществ обладает в отношении бактерий особым привлекающим или, наоборот, отталкивающим действием. Это явление носит название хемотаксиса. Соответственно движению микробов по отношению к исследуемому химическому веществу хемотаксис может быть положительным или отрицательным.
В природных условиях бактериальные виды подвергаются воздействию не одних только физических и химических факторов. В процессе своей жизни они постоянно приходят во взаимодействие как с другими видами микробов, так и с растениями, насекомыми, амфибиями, рептилями, птицами, млекопитающими — со всем многообразным миром живых существ. С этим миром у различных видов бактерий складываются антагонистические, симбиотические (основанные на обоюдной пользе) и нейтральные взаимоотношения.
Ни одно живое существо на земле не распространено в такой степени, как микробы. В ледяных просторах Арктики, в раскаленных песках Сахары, на вершинах высочайших гор, в глубине океана — везде мы найдем микробов, этих маленьких существ, обладающих удивительной способностью к приело, соблению.
Как известно, между животными и растениями существует определенная взаимосвязь. Так, растения за счет энергии солнечного света, путем фотосинтеза строят из неорганических веществ вещества органические, причем характерно, что эти вещества оказываются очень богатыми в энергетическом отношении. При этом происходит разложение углекислоты с выделением кислорода, в котором так нуждается весь мир животных.
Существует много инфекционных заболеваний, возбудители которых способны передаваться через воду. Следовательно, вся система санитарно-технических сооружений должна работать так, чтобы обеспечить гибель всех патогенных микробов, которые могут поступать с очищаемой водой. Знание основных условий выживания патогенных микробов в воде, знание элементов эпидемиологии необходимо инженеру, работающему в области водоснабжения и канализации. Понятна та большая ответственность, которая возлагается на инженеров, работающих по очистке воды.
Слово гельминт происходит от греческого слова Ье1т1п , что означает червь. ГельМ Инты — это действительно черви, но только приспособившиеся к паразитическому образу жизни внутри организма животных и человека.
В нашем курсе мы рассматриваем только первый пункт.Пригодность воды для питья оценивается с точек зрения: а) бактериологической, б) биологической, в) физической, г) химической, д) органолептической, е) санитарно-топографической.
Биохимические процессы, происходящие -при очистке питьевых вод, отличаются от тех, которые происходят при очистке сточных, своей значительно меньшей сложностью.Объясняется это тем, что легкоразлагающиеся органические вещества представлены в питьевых водах в меньшем количестве и в несравненно меньшем разнообразии.
Из трех видов природных вод наиболее чистыми как в бактериологическом, так и в химическом отношениях являются атмосферные воды. Единственный недостаток их заключается в крайне малой концентрации солей. Разумеется, он легко может быть устранен (путем добавления соответствующих солей.
Подземные воды по своей чистоте занимают промежуточное место между очень чистыми атмосферными и сравнительно загрязненными поверхностными водами. Во многих случаях подземные воды вообще не требуют какой-либо очистки.
Много веков назад, когда на заре рабовладельческого общественного строя стали возникать города, в подавляющем большинстве случаев их водоснабжение ориентировалось именно на подземные воды. Затем, в течение нескольких тысяч лет, положение не менялось: города по-прежнему пользовались питьевой водой из земли. Однако в последние десятилетия ситуация изменилась. Промышленность городов выросла до такой степени, что в подавляющем большинстве случаев подземных вод стало не хватать для водоснабжения современных городов. И тогда пришлось перейти к более обильным, но и более загрязненным водным ресурсам — к поверхностным водам.
Жизнедеятельность микроорганизмов на водопроводных очистных сооружениях наблюдается при процессах очистки воды и в виде обрастаний в трубах и на сооружениях.Само собой разумеется, что в практике работы водоочистных станций подобное разграничение не всегда является реальным. Так, в ряде случаев борьба с обрастаниями составляет предмет очистки воды, иногда же наоборот: сами обрастания способствуют процессу очищения воды тем, что извлекают из нее различные вещества. Однако, в целях систематизации изложения, мы будем придерживаться этого разделения.
Микроорганизмы участвуют в основном при следующих процессах очистки питьевой воды — при отстаивании и фильтрации.Было замечено, что при отстаивании воды в ней значительно снижается общее количество бактерий, число кишечных палочек, уменьшается концентрация взвешенных веществ и аммонийного азота. Кроме того, в ряде случаев наблюдалось понижение цветности. Сперва отстаивание производилось в громадных резервуарах, большей частью открытых.
Существует много классификаций микроорганизмов, образующих обрастание подводных предметов. Мы группируем ,их т> физиологическому принципу, т. е. по признаку направленности их химической или физической активности.
Цель обеззараживания питьевых вод ясна. Вода, которую мы пьем, не должна быть источником заразы, т. е. в ней не должно быть никаких патогенных микробов. Однако для достижения этой цели еще совершенно недостаточно применить тот или иной метод обеззараживания. Прежде всего воду надо очистить от механических и органических примесей и лишь после этого начать ее обеззараживание. Это необходимо потому, что микробы часто находятся внутри различных грубодисперсных примесей или комочков органического вещества, ¡которые служат для бактерий естественной защитой от неблагоприятных физических и химических воздействий. Лишь немногие подземные воды настолько чисты, что1 могут быть непосредственно подвергнуты обеззараживанию без всякой предварительной очистки. Что же касается вод поверхностных, то вода, даже чистейших водотоков и водоемов, должна сперва пройти механическую очистку и только после этого уже быть обеззаражена. Делается это по соображениям санитарной гарантии: в реку или озеро, где-то выше водозабора, всегда может спускаться ручеек сточных вод, не учтенный санитарным обследованием.
Практическое значение этой закономерности заключается в том, что конечный результат обеззараживания воды всегда зависит от степени ее бактериальной загрязненности.Одной из причин, которая в значительной мере способствовала распространению этого способа обеззараживания воды, является дешевизна хлора благодаря электролитическому способу его получения.
В настоящее время применяется несколько физических способов обеззараживания воды.Кавитация (соответственно и бактерицидное действие) возникает при интенсивности ультразвука 0,3—0,5 вт/см2 поверхности вибратора. При этом летальный эффект будет больше при увеличении интенсивности, нежели при удлинении экспозиции (Фэльтман и Вебер — Veltman а. Woeber, 1949).
Всякий живой организм в процессе своего обмена веществ выбрасывает в окружающую среду отработанные, более уже не нужные ему продукты обмена. Города, которые являются своеобразным коллективным организмом, также имеют свой обмен веществ и выделяют во внешнюю среду продукты своего обмена. Эти продукты имеют различное происхождение.
Сточная жидкость современных городов -обычно содержит смесь производственных и хозяйственно-фекальных вод. Состав сточных вод отличается большим разнообразием.Физико-химический состав воды питьевого и технического водопровода. Производственные и хозяйственно-фекальные воды являются примесью к водопроводной воде. Поэтому, естественно, что ее состав оказывает существенное влияние на сточную жидкость. Так, если в водопроводной воде увеличится концентрация ратворенного кислорода и легко восстанавливающихся солей (нитраты, сульфаты), то и окислительный потенциал сточных вод несколько повысится, что облегчит последующее окисление примесей сточных вод на очистных сооружениях.
Городские сточные зоды — это не простая смесь различных органических и неорганических веществ. Характерной особенностью их является то, что они населены колоссальным количеством микробов. В процессе своей жизнедеятельности они непрерывно изменяют окислительный потенциал (ОП) городских стоков. Основная роль здесь принадлежит бактериям метатрофам. Разлагая в процессе своего обмена веществ органические вещества, они получают необходимую для их жизни энергию. В результате образуются органические вещества уже с меньшим энергетическим запасом. Вследствие происходящих при этом восстановительных процессов, в сточную жидкость выделяются ионы водорода и ряд промежуточных восстановительных соединений (Шапиро — Shapiro, 1954). Для того чтобы эта реакция продолжалась, необходимо удалить ионы водорода из сточной жидкости. Это возможно лишь при наличии соответствующих акцепторов. Наиболее подходящим акцептором является кислород. Он поступает в сточную жидкость из атмосферы, а также при восстановлении нитратов и сульфатов. При этом кислород тотчас же восстанавливается водородом, образуя сперва перекись водорода, которая при дальнейшем восстановлении дает воду. Поэтому в неочищенных городских сточных водах растворенного кислорода очень мало.
При фракционировании жидкой фазы сточных вод путем фильтрации получаются данные, представленные в табл. 12.Как видно из этой таблицы, в жидкой фазе сточных вод наибольшее количество общего азота, белкового азота и органических веществ (БПКб) находится в виде коллоидов в растворенном состоянии. Это является благоприятным фактором для последующей биохимической очистки жидкой фазы сточных вод, поскольку жизнедеятельность микробов наиболее интенсивно протекает лишь тогда, когда необходимые им питательные вещества находятся в состоянии высокой дисперсности.
Сточная жидкость исключительно богата различными ионами, включая и многие микроэлементы, что связано с разнообразием ее происхождения. Солевой состав не оказывает, однако, существенного влияния на активную реакцию городских сточных вод, которая лежит в слабощелочных пределах величины pH и отличается при этом значительным постоянством. Подобная буферность объясняется наличием в сточных водах большого количества углекислоты и бикарбонатов.
Спуск всех этих вредных примесей в городские коллекторы, хотя и регламентируется соответствующим законодательством, но развитие современной промышленности нередко опережает это законодательство.
Некоторые примеси сточных вод представляют большую ценность для народного хозяйства. Прежде всего, растворитель этих примесей — вода, которая употребляется для орошения сельскохозяйственных культур в засушливых районах, затем — азот, калий и фосфор, которые необходимы для питания растений. Таким образом, первая категория ценных примесей городских сточных вод — это та, которая способствует повышению урожайности. Ко второй категории относятся жиры, которые находят себе применение в качестве утиль-жира (свечи, хозяйственное мыло). Третья категория — это витамины (например, витамины группы В12).
Флора и фауна сточных вод представлены бактериями, вирусами, бактериофагами, гельминтами и грибами.Микробиальное население подразделяется на патогенное и апатогенное.Ядовитые примеси при надлежащем санитарном надзоре за промышленными предприятиями будут поступать в коллектор лишь в безвредной для человека ¡концентрации, в то же время уберечь городские стоки от попадания в них патогенных бактерий является практически невозможным.
К твердой фазе сточных вод относятся все вещества, оседающие в первичных отстойниках, септиктанках и эмшеровских бассейнах.Твердая фаза не богата органическим веществом, однако большой процент воды и достаточное количество элементов золы создают благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий.
Септиктенк представляет собой бассейн, через который мед-леннно проходит сточная жидкость и также медленно на дно оседает твердая фаза сточных вод. Устройство септиктенка видно на рис. 38.Жидкая фаза сточных вод, выходящая из септиктенка, насыщена гнилостными газами, образующимися в результате ее распада. Особенно неприятно присутствие сероводорода, который, помимо отвратительного запаха, обладает еще свойством разрушать стенки септиктенка. Поэтому, поступая из септиктенка для последующей очистки, жидкая фаза сточных вод нуждается з сильном «аэробном ударе», т. е. в создании резко окислительных условий.
На уроках химии в средней школе иногда демонстрируется такой опыт. Через склянку с водопроводной водой пропускается сероводород. Вода начинает издавать отвратительный запах тухлых яиц. Затем склянку плотно закрывают и оставляют в закупоренном виде на несколько дней. Когда потом склянку открывают, то вода уже совершенно не пахнет сероводородом. Однако цвет ее становится черным из-за сернистого железа, образовавшегося в результате реакции между сероводородом и железом воды. Аналогичное явление происходит и в эмшеровском бассейне (Бах, 1930).
Брожение в метантенках осуществляется при двух температурах — мезофильной (порядка 30—35° С) и термофильной (по рядка 50—55° С).Рис, 40. Схема метантенка (по Строганову).При мезофильном брожении анаэробный распад органического вещества вызывается теми же группами микробов, которые осуществляли его в эмшеровском бассейне. Однако, вследствие более интенсивной жизнедеятельности микробов (включая и их энзиматическую активность), процессы распада происходят не только скорее, «о и идут гораздо глубже. В силу этих же нричин количество иловой воды в метантенке также больше, чем в эмшеровоком бассейне.
Кроме того, сброженный осадок используется и в виде топлива. Для этого его подсушивают на иловых площадках, затем при помощи формовочной машины приготовляют особые топливные кирпичи, которые складывают в штабели.
В природе биохимическое окисление органических веществ происходит или в почве, или в водоемах (водотоках). Однако в природных условиях иногда преобладают факторы, благоприятные для биохимического окисления этих примесей, а иногда — неблагоприятные.
Сточная жидкость, поступающая при почвенных методах очистки на поля орошения или поля фильтрации, иногда предг варительно освобождается от твердой фазы в первичных отстойниках. Независимо от этого, общее направление процессов окисления органического вещества остается тем же: происходят окисление органического вещества в условиях аэробиоза. Там, где создаются анаэробные условия, наступает торможение этого процесса.
В жидкой фазе, в противоположность твердой, основное количество белкового и аммонийного азота, а также и органических веществ (по БПКз) находится в растворенном состоянии, поэтому окислительная деятельность микробов значительно облегчена.
Впервые разобрался в сложных процессах аэрации сточных вод в аэротенке советский ученый, профессор Н. А. Базякина.Ввиду сложности этого процесса описание его мы расчленим на этапы.Трудно, пожалуй, найти в природных условиях что-либо аналогичное активному илу, который представляет собой биоценоз, состоящий в основном из микробов и простейших (рис. 47).
Биологические пруды — это водоемы, в которых искусственно созданы все условия для наиболее энергичного окисления органического вещества сточных вод. Малая глубина, легко прогреваемая и освещаемая лучами солнца до самого дна, богатая подводная растительность, насыщающая кислородом толщу воды, обильное, развитие .простейших питающихся бактериями; если же к этому добавить рыб, «играющих» в воде, и уток, которые плавают по голубой зеркальной поверхности прудов, то действительно трудно представить себе, что это — очистные сооружения.
В настоящее время проблема очистки радиокативных городских сточных вод встала перед санитарной техникой со всей остротой. Применение радиоактивных изотопов с мирными целями находит все большее применение в самых разнообразных отраслях народного хозяйства. В результате, к городской канализации подключаются различные предприятия, сток которых содержит нередко значительную концентрацию радиоактивных изотопов. Если сток содержит изотопы с коротким периодом полураспада, то задача его обезвреживания решается очень просто. Прежде чем сбросить их в коллектор, они пропускаются через бассейны-отстойники, в которых и заканчивается период полураспада.
Почвенные методы очистки сточных вод при условии нор» мальной нагрузки вполне удовлетворительно химически и хорошо бактериологически очищают воду: патогенные микробы совершенно не попадают в очищенные дренажные стоки. Иную картину мы наблюдаем на сооружениях искусственной биологической очистки. Эффект химической очистки также получается вполне удовлетворительным, однако при этом нет гарантии в полной гибели патогенных микробов.