Классификация примесей природных и сточных вод

Классификация примесей природных и сточных вод. Понятие о природных и сточных водах. Существование воды в абсолютно чистом виде немыслимо из-за ее высокой растворяющей способности. Природные и сточные воды представляют собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества в истинно растворенном или нерастворимом состояниях. Природные воды — это воды гидросферы Земли, возникшие естественным путем. Они делятся на два больших класса: поверхностные и подземные (можно еще выделить атмосферные воды, но их прямое использование экзотично). Поверхностные воды находятся в реках, озерах, водохранилищах, болотах и морях, а также в каналах. Подземные воды содержатся в порах грунтов и горных пород. Сточные воды по происхождению можно разделить на четыре класса: хозяйственно-бытовые (фекальные), ливневые, сельскохозяйственные и производственные (промышленные). Хозбытовые стоки образуются при смешивании водопроводной воды с бытовыми и физиологическими отходами в санитарных приборах и содержат в основном органические примеси. Ливневые стоки представляют собой смесь атмосферных осадков с загрязнениями, смытыми с поверхностей застроенных и незастроенных территорий (взвеси, нефтепродукты и т.п.). К сельскохозяйственным сточным водам , кроме стоков животноводства, близких по составу к хозфекальным, но только более концентрированным, относят также возвратные и дренажные воды, образующиеся при орошении и содержащие зачастую ядохимикаты и минеральные удобрения. Промышленные стоки многообразны, как и отрасли материального производства, использующие воду для различных нужд. Примеси природных и сточных вод. Можно также классифицировать примеси воды по их происхождению (природные и искусственные), по плотности относительно воды (плавающие, тонущие и зависающие), другим признакам. Особый вид загрязнений представляет тепловое, характеризуемое повышенной температурой после отвода воды от охлажденного оборудования. Повышенную температуру имеют также природные термальные воды (до 50° С и выше). Классификация примесей воды по их фазово-дисперсному состоянию. Многообразие примесей и признаков для их классификации затрудняют целостное восприятие и выбор способов для удаления загрязнений из воды. Академик Л.А. Кульский создал свою таблицу-классификацию примесей воды, увидев за многообразием порядок и логику. В ее основу он положил два главных фактора: дисперсность и их фазовое состояние. Мерой дисперсности (измельченности) частиц примесей служит их размер d или степень дисперсности D=1/d. По мере дробления частиц уменьшается их размер, увеличивается степень дисперсности и удельная поверхность (суммарная поверхность частиц определенного объема), что видно из таблицы ниже. Характеристики дисперсности частиц примесей. Удельную поверхность частиц можно определить по формуле: S УД = KD, где К — коэффициент, зависящий от формы частиц. Вода с примесями представляет собой физико-химическую систему (ФХС). Дисперсионной средой в ней является вода, а примеси составляют дисперсную фазу — отдельную составную часть ФХС, отделенную от других частиц системы поверхностью раздела. ФХС, состоящие из двух и более фаз, называются гетерофазными (разнофазными). Если среда и примесь представлены одной фазой, ФХС называется гомофазной (однофазной, однородной). Гетерофазные ФХС на основе воды называются суспензиями (если примесь — твердое тело), эмульсиями (если примесь — жидкость) и пенами (если примесь — газ). Л.А. Кульский разделил все примеси воды на два класса: гетерогенные (соответствующие гетерофазным ФХС) и гомогенные (в гомофазных ФХС), каждый из которых подразделяется на две группы в зависимости от крупности частиц. Классификация примесей по Л.А. Кульскому приведена в таблице ниже: Таблица Л.А. Кульского. Характеристика примесей по группам. В І группу включены взвеси (взвешенные вещества, грубодисперсные примеси). К ним относятся: мелкий песок, ил, глинистые вещества, зола, окалина, пищевые остатки, гидроксиды металлов и другие, т.е. такие примеси, которые удерживаются во взвешенном состоянии динамическими силами потоков воды; в состоянии покоя они оседают (если плотность больше плотности воды) или всплывают (при плотности меньше единицы). В природные воды взвеси попадают вследствие размывания пород русла, смыва почв ливневыми водами. В сточные воды взвеси поступают из санитарных приборов (остатки пищи, частицы почвы) или в результате технологических процессов (например, окалина при охлаждении валков прокатных станов, частицы угля в шахтных водах). Взвеси антропогенного происхождения имеют повышенную устойчивость к оседанию. Взвешенные вещества могут содержать на своей поверхности бактерии, вирусы, ядохимикаты, радионуклиды. К I группе примесей относятся также планктон и бактерии. Бактерии могут быть безвредными для организма человека и болезнетворными. Они не выпадают в осадок и не всплывают в неподвижной воде, а находятся либо в свободном состоянии, либо на поверхности взвешенных веществ. Последний вариант встречается чаще. Бактерии распространяются водным путем. Планктон принято подразделять на зоопланктон (рачки, черви) и фитопланктон (водоросли). Первые активно перемещаются в воде. Водоросли интенсивно развиваются в теплое время года в малоподвижной воде (в водохранилищах). Самые распространенные в наших климатических условиях — сине-зеленые водоросли. Более общее название II группы примесей (коллоидов) — золи (при дисперсионной среде в виде воды — гидрозоли). Поскольку частицы коллоидов всего на порядок больше молекул, золи называют еще микрогетерогенными системами; они занимают промежуточное положение между суспензиями и истинными растворами (говорят еще о коллоидных растворах). Различают гидрофобные и гидрофильные коллоиды. Гидрофобные коллоиды не растворяются в воде, не взаимодействуют с молекулами воды и являются типичными коллоидными системами. Они неустойчивы и постепенно разрушаются, выделяя дисперсную фазу при укрупнении частиц под действием межмолекулярных сил сцепления, переходя в I группу примесей. Гидрофильные коллоиды взаимодействуют с дисперсной средой и способны растворяться в ней. Фактически они представляют собой устойчивые растворы высокомолекулярных соединений с молекулярной массой 104–106 единиц. Коллоидные примеси природных вод представляют собой минеральные и органоминеральные частицы почв и грунтов, недиссоциированные и нерастворимые формы гумуса. Гумус вымывается из лесных, болотистых и торфяных почв или образуется в водоемах в результате жизнедеятельности растений и водорослей. Коллоиды содержатся также в большинстве сточных вод, особенно в стоках нефтехимических и целлюлозно-бумажных производств. Примеси коллоидной дисперсности имеют высокую удельную поверхность и обладают большой поверхностной энергией. С увеличением степени дисперсности растет количество молекул, находящихся на поверхности раздела фаз. Они расположены в несимметричном силовом поле и обладают избыточной свободной энергией из-за некомпенсированных молекулярных связей. Ко II группе примесей Кульский относит и вирусы. Они не способны существовать на питательных средах и размножаются только в клетках организма-хозяина. III группу примесей представляют органические соединения биологического и антропогенного происхождения — жиры, белки, углеводы, сахара, продукты жизнедеятельности бактерий, водорослей, человека и животных), фенолы, спирты, альдегиды и тому подобное, стоки химической промышленности, растворимые формы гумуса (фульвокислоты). Эти соединения практически недиссоциированы и представляют собой неэлектролиты. В результате взаимодействия с водой они образуют гидраты, а взаимодействуя между собой — ассоциаты. Эти соединения термодинамически устойчивы и могут существовать как угодно долго, не выделяясь из воды. При превышении определенной концентрации (предела растворимости) они образуют двухфазные системы (выпадают в осадок) и переходят в примеси первой группы. К этой группе относятся также минеральные соединения — растворенные газы. В природных водах, как правило, присутствуют кислород, азот, углекислый газ. Подземные воды могут содержать также сероводород. Эти газы также присутствуют в водах, где идут процессы гниения (хозяйственно-фекальные, болотные воды). Примеси IV группы представляют собой растворы солей, кислот и щелочей и являются электролитами. Они образуются в результате диссоциации молекул веществ с ионными или сильно полярными связями под влиянием полярной структуры молекул воды. В подавляющем количестве природных и сточных вод содержатся катионы кальция, магния, железа, натрия, калия, марганца, водородные ионы (ионы гидрониума Н 3 О + ), а также анионы: гидрокарбонаты (НСО 3 - ), карбонаты (СО 3 2- ), сульфаты (SO 4 2- ), хлориды (Cl), фтор (F - ), фосфаты (PO 4 3- ), нитраты (NO 3 ), нитриты (NO 2 - ), гидросиликаты (HSiO 2 - ), гидроксильные группы OH - . Специфичные ионы содержатся в стоках гальванических производств, кожевенной и радиоэлектронной промышленности. В результате взаимодействия ионы могут образовывать мало- или недиссоциированные соединения (например, газ СО 2 , осадок Fe(OH) 3 ) и переходить таким образом в примеси других групп.