книги / Химия водных растворов, природных и сточных вод

исходит смещение равновесия реакции в сторону образования гид- рокарбонат-ионов.

Буферная емкость по отношению к основаниям ограничена растворимостью углекислого газа. При увеличении щелочности воды происходит смещение равновесия реакции в сторону образования нерастворимого карбоната кальция.

Углекислотно-гидрокарбонатная буферная система существует во всех водоемах, воды которых имеют (или имели в ходе своей миграции) контакт с горными породами, особенно известняками.

Природные воды представляют собой сложные дисперсные системы.

Мутность и цветность природных вод обусловлена наличием в них мелкодисперсных глинистых частиц и высокомолекулярных гумусовых соединений. Источником окрашенных веществ в природных водоемах являются почва, торф, дубильные вещества, экстрагируемые водой из растений. Гумусовые соединения представляют собой комплекс органических веществ – продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами – гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин. Источником ароматических соединений могут быть продукты биохимического разложения целлюлозы, лигнина и дубильных веществ, а источником азотсодержащих соединений – протоплазма микроорганизмов, участвующих в процессах распада и синтеза органических соединений. Почвенные гумусовые вещества – это специфические высокомолекулярные, полифункциональные, азотсодержащие соединения циклического строения и кислотного характера.

Гуминовые кислоты и фульвокислоты в зависимости от состава воды и величины рН могут образовывать истинные растворы, коллоидные и малорастворимые вещества.

В слабокислой среде недиссоциированные и малорастворимые гумусовые вещества образуют коллоидные системы. В слабощелочной среде – растворимые гуматы и фульваты с ионами щелочных металлов, малорастворимые гуматы кальция.

91

Запах и привкус природных вод, обусловленный наличием в воде растворенных газов, органическими соединениями, образующимися при жизнедеятельности водной флоры и фауны, железистый.

Естественные запахи – рыбный, гнилостный, болотный являются результатом жизнедеятельности водных организмов и процессов разложения органических веществ.

Искусственные запахи обусловлены примесями сточных вод, сбрасываемых в водный объект (запах нефти, фенолов и др.).

В природных водах всегда содержатся ионы кальция и магния, обусловливающие общую жесткость воды, под которой понимают

1 мг-экв ионов магния – 12 мг.

По величине общей жесткости природные воды делятся:

–на очень мягкие – менее 1,5 мг-экв/л;

–мягкие – 1,5–3,0 мг-экв/л;

–средней жесткости – 3,0–5,4 мг-экв/л;

–жесткие – 5,4–10,7 мг-экв/л;

–очень жесткие – более 10,7 мг-экв/л.

Наиболее мягкими являются ливневые и талые воды – воды атмосферных осадков.

Жесткость речных вод зависит от характера питания рек, климатических факторов. При питании воды грунтовыми водами общая жесткость речной воды будет зависеть от жесткости грунтовых вод, которая определяется слагаемыми грунт породами.

Впаводковый период речная вода наиболее мягкая в результате разбавления ее талыми водами.

Вводе ионы Ca2+ и Mg2+ связаны с ионами HCO3–, SO42–, Cl–

идр. Жесткость воды, обусловленную содержанием гидрокарбонатов кальция и магния, называют карбонатной или временной жесткостью. При нагревании воды соли временной жесткости разлагаются с выделением менее растворимых карбонатов магния и кальция:

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O

92

Некарбонатная жесткость (постоянная) обусловлена присутствием в воде сульфатов (растворимость CaSO4 – 2 г/л), хлоридов, гидроксидов кальция и магния.

Вприродных водах могут содержаться ионы железа, марганца, меди, придающие воде специфический привкус и ухудшающие качество воды.

Окисляемость природных вод. Содержание в воде органиче-

ских примесей, а также других веществ, обладающих восстановительной способностью, характеризуется окисляемостью воды, показателем количества кислорода, необходимого на окисление этих

примесей (мг О2/л).

Окисляемость природных малозагрязненных вод чаще всего определяется по величине перманганатной окисляемости.

При этом пробу воды обрабатывают раствором окислителя – перманганата калия и окисляемость определяют количеством перманганата, эквивалентным кислороду, пошедшему на окисление примесей.

Наименьшей окисляемостью характеризуются артезианские воды. Окисляемость грунтовых вод зависит от глубины их залегания. Чем глубже залегает вода, тем меньше ее окисляемость.

Вприродных водах в зависимости от их состава, условий среды (температура, рН и др.), геофизических процессов формируются

водные биоценозы, представляющие сообщества микроорганизмов, водорослей, зоопланктона, высшей водной растительности и рыб1.

Вопросы для самоконтроля

1.На какие виды подразделяют природные воды по степени минерализации?

2.Чем обусловлена цветность и мутность природных вод?

3.Что понимают под показателем «жесткость воды»? Как она определяется?

1 См.: Зайцева Т.А., Рудакова Л.В. Микробиология и биотехнология. Пермь,

2013.

93

4. Как определяют перманганатную окисляемость природных

вод?

5. Содержанием каких соединений определяется буферность природных вод?

5.2. Характеристика состава сточных вод

Сточные воды (СВ) – это воды, изменившие физикохимические и химические свойства в результате их использования в бытовой и производственной деятельности человека и требующие отведения.

Сточные воды могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

–источник происхождения;

–дисперсность;

–концентрация загрязняющих веществ;

–химические свойства загрязняющих веществ;

–кислотность среды;

–токсическое действие загрязняющих веществ на водные объ-

екты.

По источнику происхождения можно выделить следующие виды сточных вод:

– хозяйственно-бытовые сточные воды, образующиеся в жилых помещениях, а также в бытовых помещениях на производстве, например столовые, душевые кабины, туалеты и др;

– поверхностные (ливневые) сточные воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков, которые делят на дождевые и талые;

–промышленные сточные воды, образующиеся в технологических процессах или при добыче полезных ископаемых;

–условно-чистые сточные воды – вода для охлаждения оборудования, паровой конденсат;

–производственные сточные воды делятся на потоки (низко- и высококонцентрированные, содержащие токсичные вещества и т.п.);

94

–городские сточные воды – бытовые сточные воды, отводимые от помещений, или их смесь с частично очищенными производственными и/или поверхностными сточными водами.

Сточные воды представляют собой сложные дисперсные системы. Все примеси воды по отношению к дисперсионной среде можно разделить на четыре группы:

–воды, содержащие нерастворимые в воде мелкодисперсные примеси, взвеси, обусловливающие мутность воды. Размер частиц примесей 10–6–10–4 м и более. Взвеси образуют глинистые вещества, ил, мелкий песок, малорастворимые гидроксиды металлов, малорастворимые органические вещества и др.;

–сточные воды, содержащие гидрофильные и гидрофобные коллоидные растворы, а также высокомолекулярные вещества и детергенты. Размер частиц 10–8–10–7 м;

–воды, содержащие растворенные газы и растворимые органические вещества как биологического происхождения, так и входящие

всостав промышленных сточных вод. Размер частиц 10–9–10–8 м;

–сточные воды, содержащие ионные примеси. Образуют гомогенные растворы. Размер частиц 10–10–10–9 м.

Сточные воды химических, нефтехимических, целлюлознобумажных производств обычно содержат твердые частицы (волокна, пластмассы, каолин, глину, каучук, кристаллы солей и др.), а также жидкие эмульгированные примеси (нефть, нефтепродукты, смолы и т.п.). Поверхность этих частиц может быть гидрофильна или гидрофобна.

Размеры частиц могут изменяться в широких пределах

(табл. 5.1).

СНиП 2.04.02–84 дает следующую классификацию вод по количеству взвешенных веществ: маломутные – до 50 мг/л; средней мутности – 50–250 мг/л; мутные – 250–1500 мг/л; высокомутные – свыше 1500 мг/л. Предельное содержание взвесей в воде питьевой –

1,5 мг/л.

95

Таблица 5.1 Свойства сточных вод как дисперсных систем

В зависимости от фазово-дисперсного состава примесей и содержания взвешенных веществ в сточных водах можно подобрать определенный набор методов очистки сточных вод.

По составу и химическим свойствам загрязняющих веществ сточные воды делят:

–на загрязненные по преимуществу минеральными примесями;

–загрязненные по преимуществу органическими примесями;

–загрязненные как минеральными, так и органическими при-

месями.

По кислотности среды:

–неагрессивные (pH 6,5–8);

–слабоагрессивные (слабощелочные – pH 8–9 и слабокис-

лые – pH 6–6,5);

–сильноагрессивные (сильнощелочные – pH>9 и сильнокис-

лые – pH<6).

По токсическому действию и действию загрязнителей – на водные объекты:

–содержащие вещества, влияющие на общесанитарное состояние водоема (например, на скорость процессов самоочищения);

–содержащие вещества, изменяющие органолептические свойства (вкус, запах и др.);

–содержащие вещества, токсичные для человека и обитающих

вводоемах животных и растений.

96

По концентрации загрязняющих веществ:

–с содержанием примесей 1–500 мг/л;

–с содержанием примесей 500–5000 мг/л;

–с содержанием примесей 5000–30000 мг/л;

–с содержанием примесей более 30000 мг/л.

Химический состав сточных вод разнообразен, что вызывает необходимость использования для их очистки комплексных технологий, основанныхнафизико-химических ибиохимическихметодах.

Хозяйственно-бытовые сточные воды содержат биоразлагае-

мые примеси: белки, жиры и углеводы в коллоидном, взвешенном и истинно растворенном состояниях.

Особенностью состава хозяйственно-бытовых сточных вод является содержание в них микроорганизмов, в том числе патогенных.

Ливневые сточные воды урбанизированных территорий относятся к низкоконцентрированным сточным водам и содержат в основном взвешенные вещества (глина, песок), нефтепродукты, ионы тяжелых металлов.

Качественный и дисперсный состав промышленных сточных вод разнообразен даже для одного и того же производства и зависит от вида сырья и получаемой продукции.

Так, сточные воды пищевой промышленности содержат в основном белки, углеводы и жиры. Стоки консервной промышленности, молочных заводов, мясокомбинатов, кожевенной промышленности характеризуются высоким содержанием взвешенных и растворенных веществ органического происхождения, в том числе жиров, углеводов.

Специфическими загрязнителями сточных вод текстильных производств являются алифатические и ароматические соединения: этиловый эфир, масляная кислота, амиловый эфир, амиловый спирт, глицерин, ацетон, анилин, бензол, аминокислоты и углеводы, красители.

Количество и качество стоков предприятий по переработке каменного и бурого угля с целью получения специальных продуктов (смол, каменноугольных масел, бензола) и улучшенных видов топ-

97

лива (кокса, генераторного газа) характеризуются сложным и переменным составом, зависящим от исходного сырья, технологических процессов и различных режимов переработки. Характерная особенность сточных вод термической переработки угля – присутствие больших количеств фенола (до 7–10 г/л), высокоокрашенных веществ.

При газификации бурого угля в сточных водах содержатся пирокатехин, ацетальдегид, ацетон, уксусная, пропионовая, масляная и валерьяновая кислоты, ацетонитрил, этиламин, пропиламин, пиридин, пиколин и др. Продукты сухой перегонки древесины содержат фенолы и их простые эфиры, кислоты и их производные, спирты, альдегиды, кетоны, фурановые соединения, производные пирана, основания (пиридин и др.), углеводы и углеводороды.

В сточных водах лесохимических предприятий содержатся фенол, метиловый спирт, уксусная кислота, скипидар, кетоны

иэфиры, аллиловые масла, формалин. Все сточные воды сухой перегонки древесины имеют интенсивную окраску (от светло-желтой до коричневой) и обладают специфическим запахом (формалина, древесных масел).

Сточные воды целлюлозно-химической промышленности разнообразны по составу, так как включают стоки собственно целлюлозных и бумажных предприятий, древесномассных заводов, картонных фабрик и т.д. В стоках целлюлозного производства зафиксировано присутствие маннозы, декстрина, галактозы, свободного фурфурола, следов ванилина, жирных веществ, смол, лигнина, оксикислот, сахаридов. Эти стоки окрашены в коричневый, желтоватый или серовато-коричневый цвет.

Органический состав сточных вод химической промышленности (предприятий, выпускающих красящие вещества, фармацевтические препараты, ядохимикаты, жирные кислоты и моющие средства)

ипромышленности органического синтеза (прозрачных пленок фенопластов и аминопластов, синтетического каучука и волокон) чрезвычайно разнообразен. В сточных водах производств органических красителей всегда присутствуют остатки исходных и промежуточ-

98

ных веществ (бензол, анилин, циклические нитросоединения), а также красители. Для них характерна интенсивная окраска.

Сложным составом сточных вод характеризуются производства синтетического каучука. Например, в стоках производства дивинилстирольного каучука содержатся этилбензол, бензол, стирол, толуол, частички смол, латекса и мельчайшая «крошка» готового каучука.

Большое количество сточных вод образуется при добыче, переработке, транспортировке и хранении нефти и нефтепродуктов. Количество нефти в пластовых водах достигает 1,5–3,0 г/л. В буровых водах количество нафтеновых кислот в среднем составляет

190 мг/л.

Основная масса сточных вод нефтеперерабатывающих заводов содержит нефть и нефтепродукты как в растворимом так и в коллоидном состоянии, в виде эмульсий, всплывающей пленки.

Проведенный краткий обзор химического и дисперсного состава сточных вод показывает, что, как правило, они являются агрегативно устойчивыми дисперсными системами, содержат растворимые органические и неорганические примеси, коллоидные и взвешенные вещества, поэтому для их очистки используются различные физико-химические и биохимические методы, выбор которых будет определяться главным образом составом сточной воды.

5.3. Основные показатели качества воды

Основные характеристики сточных вод:

количество сточных вод, характеризуемое расходом, л/с, м3/ч, м3/сут;

концентрация загрязняющих веществ, мг/л, г/м3;

неравномерность поступлений СВ на очистные сооружения (среднесуточные и среднегодовые колебания объема и состава сточных вод). Определяется неравномерностью поступления СВ по часам суток в году.

99

5.3.1.Характеристики качества воды по химическим

ифизико-химическим показателям (общесанитарные показатели качества воды). Интегральные показатели загрязнения сточных вод

1.Взвешенные вещества (ВВ) – грубодисперсные нерастворимые примеси, которые задерживаются на крупнопористом бумажном фильтре («белая», «розовая» лента).

Для оценки состава взвешенных веществ (минерального или органического происхождения) определяются потери при прокаливании (500–600 °С) из высушенной пробы ВВ. Если потери при прокаливании составляют 50 % и более, то считают, что ВВ представлены в основном органическими соединениями. Если потери при прокаливании 30 % и менее, то полагают, что ВВ представлены минеральными примесями.

2.Сухой остаток (СО) характеризует общее содержание примесей в воде (взвешенные, коллоидные и растворенные малолетучие вещества), которые определяют гравиметрическим методом.

Основные операции – выпаривание пробы, высушивание при 103–105 °С или 178–182 °С, взвешивание пробы и определение сухого остатка.

3.Прокаленный остаток характеризует содержание неорганических веществ в СВ. Показатель определяют при прокаливании сухого остатка при 600 °С.

4.ХПК – химическое потребление кислорода (мгО2/л) – потребление кислорода на окисление органических соединений и неорганических веществ, обладающих восстановительными свойствами – сульфиды, сульфиты, тиосульфаты, нитриты, железо (II), цианиды и др.

Величина ХПК – кислородный эквивалент загрязняющих органических веществ в сточных водах. ХПК определяют в нефильтрованной и фильтрованной пробах сточной воды.

Значение ХПК в фильтрованной пробе характеризует содер-

жание растворенных органических веществ, разность показателей – содержание органических соединений во взвешенных веществах.

100