Поняття про природних і стічних водах
Існування води в абсолютно чистому вигляді немислимо через її високу розчинюючої здатності. Природні і стічні води являють собою складну динамічну систему, яка містить гази, мінеральні та органічні речовини в розчиненому або нерозчинному станах.
- Природні води - це води гідросфери Землі, що виникли природним шляхом. Вони діляться на два великі класи: поверхневі і підземні (можна ще виділити атмосферні води, але їх пряме використання екзотично). Поверхневі води знаходяться в річках, озерах, водосховищах, болотах і морях, а також у каналах. Підземні води містяться в порах грунтів і гірських порід.
- Стічні води за походженням можна розділити на чотири класи: господарсько-побутові (фекальні), зливові, сільськогосподарські та виробничі (промислові).
- Госппобутові стоки утворюються при змішуванні водопровідної води з побутовими і фізіологічними відходами в санітарних приладах і містять в основному органічні домішки.
Зливові стоки представляють собою суміш атмосферних опадів із забрудненнями, змитими з поверхонь забудованих і незабудованих територій (суспензії, нафтопродукти тощо).
До сільськогосподарських стічних вод. крім стоків тваринництва, близьких за складом до хозфекальних, але тільки більш концентрованим, відносять також поворотні і дренажні води, які утворюються при зрошенні і містять часто отрутохімікати і мінеральні добрива.
Домішки природних і стічних вод
Різноманіття домішок у воді ускладнює їх класифікацію. До недавнього часу домішки систематизували за такими ознаками:- За своєю природою домішки води діляться на мінеральні, органічні, і біологічні. До мінеральних відносять частинки піску, глини, руд, шлаків, мінеральні масла, солі, кислоти, підстави і т.д. Органічні забруднення бувають рослинного, тваринного і штучного походження. Рослинні - це залишки рослин, водоростей, продукти їх розкладання і т.п. До забруднень тваринного походження відносяться фізіологічні виділення людини і тварин, залишки тканин тварин, клейові речовини і т.п. Штучне походження мають органічні домішки, що утворюються, наприклад, з продукції підприємств органічної хімії, харчової промисловості та багатьох інших видів виробництв. Біологічні мікробні домішки представлені мікроорганізмами, до яких відносять мікроскопічні водорості і гриби, бактерії і віруси, часто звані мікрофлорою. До мікрофауна відносять інфузорій, жгутикових, черв'яків, рачків.
- За ступенем розчинності домішки діляться на нерозчинні і розчинні. Нерозчинні називаються також зваженими, до них відносяться частинки піску, глини, мулу. Розчинні домішки можуть бути у вигляді колоїдів (займають проміжне положення між зваженими і розчиненими речовинами) або істинно розчинних молекул і іонів.
- За фазового стану домішки можуть бути твердими (наприклад, глинисті частинки, водорості), рідкими (емульсії, нафтопродукти, жири), газоподібними (гази в нерастворенном стані).
Можна також класифікувати домішки води по їх походженню (природні і штучні), по щільності щодо води (плаваючі, потопаючі і зависають), іншими ознаками.
Особливий вид забруднень представляє теплове, що характеризується підвищеною температурою після відводу води від охолодженого обладнання. Підвищену температуру мають також природні термальні води (до 50 ° С і вище).
Класифікація домішок води по їх фазово-дисперсному станом
Різноманіття домішок і ознак для їх класифікації ускладнюють цілісне сприйняття і вибір способів для видалення забруднень з води.
Академік Л.А. Кульский створив свою таблицю-класифікацію домішок води, побачивши за різноманіттям порядок і логіку. В її основу він поклав два головні чинники: дисперсність і їх фазовий стан.
Мірою дисперсності (подрібнення) частинок домішок служить їх розмір d або ступінь дисперсності D = 1 / d. У міру дроблення частинок зменшується їх розмір, збільшується ступінь дисперсності і питома поверхня (сумарна поверхня частинок певного обсягу), що видно з наведеної нижче таблиці.
Характеристики дисперсності частинок домішок
Питому поверхню частинок можна визначити за формулою: Sуд = KD, де К - коефіцієнт, що залежить від форми частинок.
Вода з домішками є фізико-хімічну систему (ФХС). Дисперсійним середовищем в ній є вода, а домішки складають дисперсну фазу - окрему складову частину ФХС, відокремлену від інших частинок системи поверхнею розділу. ФХС, що складаються з двох і більше фаз, називаються гетерофазна (разнофазнимі). Якщо середовище та домішка представлені однією фазою, ФХС називається гомофазной (однофазної, однорідної).
Гетерофазні ФХС на основі води називаються суспензиями (якщо домішка - тверде тіло), емульсіями (якщо домішка - рідина) і піною (якщо домішка - газ).
Л.А. Кульский розділив всі домішки води на два класи: гетерогенні (відповідні гетерофазна ФХС) і гомогенні (в гомофазних ФХС), кожен з яких поділяється на дві групи в залежності від крупності частинок. Класифікація домішок за Л.А. Кульської приведена в таблиці нижче:
Таблиця Л.А. Кульського
Характеристика домішок по групам
У І групу включені суспензії (зважені речовини, Грубодисперсні домішки). До них відносяться: дрібний пісок, мул, глинисті речовини, зола, окалина, харчові рештки, гідроксиди металів і інші, тобто такі домішки, які утримуються в підвішеному стані динамічними силами потоків води; в стані спокою вони осідають (якщо щільність більше щільності води) або спливають (при щільності менше одиниці).
У природні води суспензії потрапляють внаслідок розмивання порід русла, змиву грунтів зливовими водами. У стічні води суспензії надходять з санітарних приладів (залишки їжі, частинки грунту) або в результаті технологічних процесів (наприклад, окалина при охолодженні валків прокатних станів, частинки вугілля в шахтних водах). Суспензії антропогенного походження мають підвищену стійкість до осідання.
Зважені речовини можуть містити на своїй поверхні бактерії, віруси, отрутохімікати, радіонукліди.
До I групи домішок відносяться також планктон і бактерії. Бактерії можуть бути нешкідливими для організму людини і хвороботворними. Вони не випадають в осад і не спливають в нерухомій воді, а знаходяться або у вільному стані, або на поверхні зважених речовин. Останній варіант зустрічається частіше. Бактерії поширюються по воді.
Планктон прийнято поділяти на зоопланктон (рачки, черви) і фітопланктон (водорості). Перші активно переміщаються у воді. Водорості інтенсивно розвиваються в теплу пору року в малорухомої воді (у водосховищах). Найпоширеніші в наших кліматичних умовах - синьо-зелені водорості.
Більш загальна назва II групи домішок (колоїдів) - золі (при дисперсійному середовищі у вигляді води - гідрозолі). Оскільки частки колоїдів всього на порядок більше молекул, золи називають ще Мікрогетерогенна системами; вони займають проміжне положення між суспензіями і істинними розчинами (кажуть ще про колоїдних розчинах). Розрізняють гідрофобні і гідрофільні колоїди.
Гідрофобні колоїди не розчиняються у воді, не взаємодіють з молекулами води і є типовими колоїдними системами. Вони нестійкі і поступово руйнуються, виділяючи дисперсную фазу при укрупненні частинок під дією міжмолекулярних сил зчеплення, переходячи в I групу домішок.
Гідрофільні колоїди взаємодіють з дисперсним середовищем і здатні розчинятися в ній. Фактично вони являють собою стійкі розчини високомолекулярних сполук з молекулярною масою 104-106 одиниць.
Колоїдні домішки природних вод є мінеральні та органо-частинки ґрунтів і ґрунтів, недіссоціірованних і нерозчинні форми гумусу. Гумус вимивається з лісових, болотистих і торф'яних грунтів або утворюється в водоймах в результаті життєдіяльності рослин і водоростей. Колоїди містяться також в більшості стічних вод, особливо в стоках нафтохімічних і целюлозно-паперових виробництв.
Домішки колоїдної дисперсності мають високу питому поверхню і володіють великою поверхневою енергією. Зі збільшенням ступеня дисперсності зростає кількість молекул, що знаходяться на поверхні розділу фаз. Вони розташовані в несиметричному силовому полі і мають надлишкову вільної енергією через некомпенсованих молекулярних зв'язків.
До II групи домішок Кульский відносить і віруси. Вони не здатні існувати на поживних середовищах і розмножуються тільки в клітинах організму-господаря.
III групу домішок представляють органічні сполуки біологічного і антропогенного походження - жири, білки, вуглеводи, цукру, продукти життєдіяльності бактерій, водоростей, людини і тварин), феноли, спирти, альдегіди тощо, стоки хімічної промисловості, розчинні форми гумусу (фульвокислоти).
Ці сполуки практично недіссоціірованних і являють собою неелектролітів. В результаті взаємодії з водою вони утворюють гідрати, а взаємодіючи між собою - асоціати. Ці сполуки термодинамічно стійкі і можуть існувати як завгодно довго, не виділяючись з води. При перевищенні певної концентрації (межі розчинності) вони утворюють двофазні системи (випадають в осад) і переходять в домішки першої групи.
До цієї групи належать також мінеральні сполуки - розчинені гази. У природних водах, як правило, присутні кисень, азот, вуглекислий газ. Підземні води можуть містити також сірководень. Ці гази також присутні в водах, де йдуть процеси гниття (господарсько-фекальні, болотні води).
Домішки IV групи представляють собою розчини солей, кислот і лугів і є електролітами. Вони утворюються в результаті дисоціації молекул речовин з іонними або сильно полярними зв'язками під впливом полярної структури молекул води.
У переважній кількості природних і стічних вод містяться катіони кальцію, магнію, заліза, натрію, калію, марганцю, водневі іони (іони гідроніума Н3 Про +), а також аніони: гідрокарбонати (НСО3 -), карбонати (СО3 2-), сульфати ( SO4 2-), хлориди (Cl), фтор (F -), фосфати (PO4 3), нітрати (NO3), нітрити (NO2 -), гідросилікати (HSiO2 -), гідроксильні групи OH -. Специфічні іони містяться в стоках гальванічних виробництв, шкіряної і радіоелектронної промисловості.
В результаті взаємодії іони можуть утворювати мало- або недіссоціірованних з'єднання (наприклад, газ СО2. Осад Fe (OH) 3) і переходити таким чином в домішки інших груп.