Весь облик нашей планеты, возникновение и развитие на ней флоры и фауны тесно связаны с наличием воды и с ее определенными физико-химическими свойствами.Физические и химические свойства воды изучаются в курсах неорганической химии и других химических дисциплинах. Поэтому рассмотрим лишь свойства, имеющие наиболее важное значение для понимания природных явлений и для использования в процессах очистки. Весовой состав воды (чистой)—88,8% кислорода и 11,2% водорода.
Из всех природных богатств наибольшее значение для жизни и деятельности человека несомненно имеет вода. Она является поистине универсальным веществом, используемым для самых различных целей, и трудно даже перечислить все многообразие процессов, в осуществлении которых участвует вода.
Грунтовые воды проникают глубже и скапливаются над водоупорными пластами. При фильтрации через слои почв и грунтов снижаются показатели цветности и окисляемости воды, .уменьшается содержание микроорганизмов, а содержание раст- воренных солей, как правило, возрастает. Грунтовые воды ( используются для водоснабжения сельских населенных пунктов (колодцы).
Водный режим водоемов и водотоков зависит от ряда взаимосвязанных природных факторов. В этих условиях определение причины и следствия — дело довольно сложное.В формировании водного режима ведущую роль играет климат местности. От климата в первую очередь зависит соотношение балансов тепла и влаги, определяющее степень увлажненности местности и, следовательно, водный режим рек, озер и грунтовых вод.
Природные факторы и деятельность человека, воздействуя на водный режим, одновременно вызывают изменения гидрохимического режима (Давыдов, 1953; Давыдов и Конкина, 1958).Сплошными линиями показаны важные воздействия, пунктиром — второстепенные.
Вода в природе нигде не встречается в виде химически чистого вещества. Под физико-химическим составом природных вод принято понимать весь сложный комплекс растворенных газов, ионов, взвесей и коллоидов минерального и органического происхождения. В природных водах обнаружено около половины химических элементов, входящих в периодическую таблицу Д. И. Менделеева, а многие другие пока не найдены только из-за недостаточной чувствительности методов анализа. Еще большим качественным и количественным многообразием примесей отличаются сточные воды; состав этих примесей всецело зависит от характера производства, в котором они образуются.
Особенности химического состава воды рек, озер и водохранилищ тесно связаны с характерными чертами гидрологического режима названных водных объектов.Для рек характерна непрерывная смена воды, в результате чего речные воды относительно мало испаряются и сравнительно слабо воздействуют на перемытые ранее грунты речного ложа, но интенсивно взаимодействуют с атмосферным воздухом. Эти условия определяют следующие особенности химического состава речных вод (Алекин, 1970): 1) малую по сравнению с другими водными объектами минерализацию; 2) быструю изменяемость, происходящую под влиянием гидрометеорологических условий; 3) слабое воздействие на ионный и газовый состав биологических процессов и нередко значительное содержание органических веществ; 4) постоянное присутствие в воде растворенных газов, находящихся в атмосфере, и ничтожно малое количество газов, не находящихся в ней.
Численные значения К р для различных температур приводятся в табл. I—9.Величина pH является важнейшим показателем при оценке стабильности воды, ее коррозионной агрессивности и пригодности для питьевых и хозяйственных целей. Для осуществления большинства очистных процессов требуется соблюдение определенного интервала pH. Практически вода, освобожденная от солей, но находящаяся в соприкосновении с атмосферным воздухом, обычно имеет pH ниже 7 вследствие растворения в ней углекислоты.
Сравнение вычисленной равновесной углекислоты с содержанием углекислоты, определенным экспериментально, представляет собой один из методов определения стабильности воды.Если рН>рШ , то / — положительный; вода нестабильна и выделяет в осадок СаСОз; при рН<рЦ?1 — отрицательный; вода коррозионно-агрессивна; при рН = рН /=0—вода стабильна. Для определения стабильности воды можно воспользоваться также прямым экспериментальным методом определения ее воздействия на СаСОз, изложенным в ГОСТ 3313—46.
В гидротехническом строительстве и в конструкциях очистных сооружений широко применяются бетон и железобетон, поэтому своевременный и правильный учет факторов, могущих вызвать разрушение бетона и металлов в водной среде, имеет важное значение. В зависимости от преобладающего воздействия тех или иных компонентов различаются следующие основные виды агрессивности воды по отношению к бетону.
В настоящее время многие реки мира из-за интенсивного их загрязнения утратили свое значение как источники рыбохозяйственного и санитарно-бытового водопользования и по существу превращены в коллекторы сточных вод. Воды озер, морей и океанов также интенсивно загрязняются промышленными выбросами и продуктами ядерного расщепления.
Сточные воды нефтяной промышленности являются одним из главных источников загрязнения водоемов. Загрязнение воды нефтепродуктами происходит не только при добыче и переработке нефти, но и при перевозке ее водным транспортом, при использовании нефтепродуктов в качестве топлива для судовых двигателей, при промывке цистерн нефтеналивных судов, а также в результате стока воды с загрязненной нефтепродуктами территории суши.
Химическая промышленность включает разнообразные производства, нередко дающие стоки весьма сложного состава. Производства серной кислоты, кальцинированной соды, минеральных удобрений и другие предприятия основной химической промышленности дают стоки, загрязненные преимущественно неорганическими веществами, а производства синтетического каучука, пластмасс, искусственного волокна, лаков и красок и т. п. связаны с образованием сточных вод, загрязненных органическими соединениями.
Радиоактивные вещества в повышенной концентрации является опаснейшим видом загрязнений, несущим угрозу не только поверхностным водам суши, но и мировому океану. Загрязнение природных вод радиоактивными веществами вредно не только само по себе, но и тем, что оно приводит к повышенной .радиоактивиности водорослей, рыб и других организмов, которые обладают способностью накапливать и концентрировать радиоактивные вещества.
Целлюлозно-бумажная промышленность вырабатывает разнообразные виды продукции, образующиеся при этом сточные воды варьируют в широких пределах по количеству на тонну продукции, степени загрязненности и составу примесей. Быстрорастущее целлюлозно-бумажное производство сбрасывает в водоемы со сточными водами огромное количество загрязнений, преимущественно растворенные органические вещества и взвешенные вещества.
Непрерывный рост потребности в воде, связанный с разви-. тием общественного производства и градостроительства, с повышением материального и культурного уровня жизни людей., повышает и значение охраны водоемов от загрязнения. Санитарная охрана водоемов в нашей стране представляет собой комплекс законодательных, организационных и технических мероприятий, имеющих целью предотвратить загрязнение засорение и истощение водоемов.
Учитывая, что состав примесей в воде может изменяться в зависимости от времени и места взятия пробы, отбор проб на анализ следует производить в строгом соответствии с ГОСТом 2761—57 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого и промышленного водоснабжения. Правила выбора и оценка качества». Согласно данному ГОСТу пробы из открытых водотоков и водоемов — рек, озер и водохранилищ — отбираются в каждом сезоне года: в весеннее половодье, летом при низком горизонте воды, при подъеме горизонта воды во время осенних дождей и в середине зимы, причем в каждом сезоне должно отбираться не менее трех проб. В ряде случаев отбираются также дополнительные пробы. Каждую пробу отправляют для анализа в лабораторию с указанием места отбора пробы, температуры воды в источнике, даты и часа отбора и метеорологических условий при отборе пробы (температура воздуха, наличие ветра, выпадение осадков в день взятия пробы и в предыдущие 10 дней). Для полного анализа воды по всем указанным выше показателям следует отбирать не менее 5 л воды. Существуют также определенные правила хранения и транспортировки проб и выполнения анализов, регламентируемые соответствующими стандартами. Для отбора проб с определенной глубины водоема пользуются специальными приборами — батометрами.
Существующие методы очистки воды предусматривают очистку разных видов загрязнений. Они весьма различны как по достижимой эффективности, так и по капитальным и эксплуатационным затратам, требующимся для их осуществления. Все эти обстоятельства, несомненно, должны учитываться при выборе наиболее рационального в данных условиях способа очистки. Следует подчеркнуть, что совершенно обязательным условием для правильного выбора очистных методов является детальное ознакомление с технологией производства.
Как правило, очистка концентрированных стоков обходится дешевле, чем очистка разбавленных стоков с тем же суммарным количеством загрязнений. Поэтому решение вопроса о целесообразности объединения различных стоков требует вдумчивого подхода с учетом в каждом конкретном случае аналитических данных по составу стоков.
Использование нейтрализующей способности воды водоема. При этом кислоты нейтрализуются щелочными соединениями природных вод: обычно — бикарбонатами, реже — карбонатами и гидратами. Нейтрализация щелочей достигается главным образом при взаимодействии их с растворенной в природных водах углекислотой. Необходимо, чтобы объем природных вод, требующийся для нейтрализации стоков, не был чрезмерно большим, иначе могут создаваться неблагоприятные условия для фауны и флоры водоема.
Использование окислительно-восстановительных процессов лежит в основе многих методов очистки природных и сточных вод. К ним относятся сжигание, аэрация, хлорирование, озонирование, а также применение окислителей- (перманганат калия, перекись водорода) и в редких случаях — восстановителей, применение окислительно-восстановительных полимеров, воздействие электрического тока.
Для коллоидных растворов характерно наличие на поверхности частиц двойного электрического слоя, образующегося в результате процессов адсорбции или диссоциации. Поверхность коллоидных частиц несет определенный заряд (для коллоидных частиц природных вод — чаще отрицательный). Этот заряд компенсируется окружающими частицу противоионами, т. е. ионами противоположного знака заряда. Часть противоионов входит в адсорбционный слой, а остальная часть образует так называемый диффузный слой.
В основе флотации лежат явления смачивания, природа которых связана с интенсивностью взаимодействуя между молекулами веществ, находящихся в различных фазах. Степень смачиваний жидкостью твердой поверхности характеризуется величиной краевого угла, или угла смачивания 0. В свою очередь 0 зависит от поверхностного натяжения а на границе фаз <рис. 1—22).
Метод коалесценции может быть использован для удаления из сточных вод примесей, образующих в них стойкие, трудно расслаивающиеся эмульсии. Сущность метода заключается в пропускании такой эмульсии через колонки со специально подобранной насадкой, которая должна хорошо смачиваться эмульгированной примесью. Собираясь на частицах насадки, капельки эмульгированной примеси сливаются между собой и в дальнейшем стекают с поглотителя в виде достаточно крупных капель, легко отделяющихся от водной фазы при отстаивании или центрифугировании (Лапшин, 1952).
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».
Приспособленность микроорганизмов к различным условиям жизни очень велика. Микроорганизмы встречаются в горячих источниках, во льдах Арктики, в соленых водоемах, на дне оке-ана, где давление достигает 900 ат. Рассматривая влияние внешних факторов на микроорганизмы можно выделить три кардинальных значения.
Превращение соединений серы. В природе сера встречается в органической и минеральной форме. Она всегда входит в состав белков всех организмов. При микробной минерализации серосодержащих аминокислот сера превращается в сероводород, свободную серу, соли серной кислоты, метилмеркаптан и диметилсульфид.
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, мясокомбинатов, 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 водах, и предотвратить их попадание в водоемы и дальнейшее заражение источников водоснабжения, необходимо знать методы санитарно-бактериологического исследования и обеззараживания воды.
Воду, употребляемую для питья, подвергают очистке от содержащихся в ней органических примесей и взвешенных веществ и после этого обеззараживают.Очистка воды производится путем коагулирования и последующей фильтрации. При этом происходит одновременно удаление значительной части микроорганизмов, так как они часто находятся внутри различных взвешенных органических частиц. Количество микроорганизмов в воде снижается после очистки на 90—95%. Этого, однако, недостаточно, чтобы гарантировать полную безопасность воды с точки зрения передачи инфекции. Поэтому требуется обязательно дезинфицировать воду.
Вода, пригодная для питья, не должна иметь запаха. Появление запаха чаще всего связано с образованием сероводорода при гниении серосодержащих органических веществ или при восстановлении сульфатов.Так, например, один целлюлозный завод использовал в качестве отстойника для осаждения волокна из сточных вод небольшое озеро, куда сбрасывались стоки сушильного, очистного и отбельного цехов, а также до 35% сульфитных щелоков, не утилизируемых в спиртовом цехе.
Все применяемые методы очистки сточных вод от органических загрязнений и неокисленных минеральных соединений с помощью микроорганизмов разделяются на анаэробные и аэробные.Анаэробные микробиологические процессы осуществляются при минерализации как растворенных органических веществ, так и твердой фазы сточных вод. К твердой фазе относятся все вещества, осаждаемые в первичных отстойниках. Например, для сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий наиболее характерной органической частью твердой фазы является целлюлозное волокно, которое может быть подвергнуто разложению при помощи анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий.
В сточных водах химических производств могут присутствовать вещества, способные нарушать нормальную жизнедеятельность микроорганизмов, осуществляющих процессы биохимической очистки. Причины такого токсического воздействия разных веществ бывают различны, но чаще всего они связаны с повреждением отдельных частей микробной клетки. Так, например, токсичность фенола, формальдегида, крезола, некоторых спиртов обусловливается коагуляцией белков протоплазмы. Эфир, ацетон разрушают оболочку клетки.
Процесс окисления органических веществ не может быть охарактеризован только расходом кислорода. По современным воззрениям окисление и восстановление — это потеря или присоединение электронов. Вещество, теряющее отрицательные заряды, окисляется, получающее их — восстанавливается. Таким образом окислительно-восстановительные процессы могут протекать без участия как кислорода, так и водорода, хотя в природе обычно окислителем является кислород, а восстановителем— водород. Наличие окислителя и восстановителя в среде создает окислительно-восстановительную систему, в которой перенос электронов будет продолжаться до тех пор, нока не установится одинаковая концентрация окисленной и восстановленной форм или, другими словами, не выровняется окислительно-восстановительный потенциал.
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.
Рис, II—18. Контакт сточной воды с биопленкой. 1—загрузочный материал; 2—пленка активного ила; 3 — пленка жидкости.В биофильтре происходит непрерывный прирост и отмирание биопленки. Омертвевшая биопленка смывается протекающей сточной водой и выносится из тела биофильтра. Очищенная вода поступает во вторичные отстойники, где осаждаются вынесенные частицы биопленки, после чего осветленная вода может быть спущена в водоем. Эффект очистки Нормально работающих биофильтров достаточно высок и может достигать по БПКб 90%.
Сточные воды, очищаемые от растворенных органических веществ на биоокисдителях (биофильтрах, аэротенках, аэрофильтрах), предварительно должны быть подвергнуты механической очистке для освобождения от взвешенных веществ. Если основную массу очищаемой воды составляют хозяйственно-бытовые стоки, то при этом образуются значительные количества осадка, обладающего рядом отрицательных свойств. Такой осадок имеет неприятный запах, плохо сохнет, представляет опасность с санитарной точки зрения, так как содержит большое количество яиц гельминов и различных патогенных микроорганизмов.