Книга
← К списку книгЗагрузка разделов…
активнаАктивные записи участвуют в каталоге и синках. Неактивная книга скрыта, но не удалена из базы.
Книга
ПРЕДИСЛОВИЕ
Рациональное использование водных ресурсов и сохранение чистоты природных водоисточников — составная часть проблемы охраны окружающей среды.
Вода — один из важнейших компонентов системы жизнеобеспечения. Огромные количества воды необходимы для удовлетворения бытовых потребностей населения, для нужд промышленности и сельского хозяйства. Использование воды практически всегда сопровождается ее загрязнением, а неизбежный возврат этой воды в водоемы приводит в свою очередь к загрязнению природных вод. Для поддержания благоприятной экологической обстановки в ближайшие годы предстоит решить ряд задач как по разработке и внедрению безотходных, энергосберегающих технологий в промышленности, так и по обеспечению населения чистой водой. С этой целью при проектировании и строительстве очистных станций систем водоснабжения и водоотведения предусматривается применение современных сложных и разнообразных физико-химических, химических и биологических методов обработки и очистки природных и сточных вод.
Для эффективной эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения требуется высококвалифицированный персонал.
Предлагаемое справочное пособие позволит специалистам ознакомиться с проблемами, возникающими в процессе проектирования, строительства и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения. Пособие может быть использовано в качестве учебника для учащихся
средних специальных учебных заведений.
РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫХИМИИ ВОДЫ
Глава!. ВОДА И ЕЕ СВОЙСТВА
Вода — одно из самых распространенных веществ на нашей планете; она имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы. На земле происходит непрерывный круговорот воды. В результате испарения воды в поверхности океанов и суши и выделения влаги растениями и живыми существами атмосфера насыщается парами воды. Неравномерное нагревание атмосферы вызывает в ней крупномасштабные перемещения воздушных масс над поверхностью земного шара, а вследствие конденсации вода снова возвращается на землю в виде росы, дождя, града и снега.
Часть воды испаряется непосредственно с почвы и покрывающей ее растительности сразу же после выпадения на землю. Другая часть просачивается в почву, где она либо задерживается и используется растениями, лйбо проникает в подпочвенные горизонты, где соединяется с грунтовыми, а затем через них и с поверхностными водами. Наконец, некоторое количество воды остается на поверхности почвы, постепенно стекая в поверхностные водотоки.
Вследствие постоянного контакта с окружающей средой и включения в эту среду вода всегда содержит какие-либо вещества и практически никогда не бывает химически чистой. В то же время характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества.
МОЛЕКУЛА ВОДЫ
Вода, или оксид водорода Н2О, имеет молекулярную массу 18,016. На водород приходится 11,19% массы, на кислород — 88,81%.
В природе встречаются три изотопа водорода: 1Н — протий, 2Н — дейтерий и 3Н — тритий и три изотопа кислорода 16О, 'О и 1SO, образующих 9 устойчивых изотопных модификаций молекул воды. В природной воде на
Рис. 1. Строение молекулы водыРис. 1. Строение молекулы водыа — угол между валентными связями О—Н; б — структура электронного облака; в — расположение зарядова — угол между валентными связями О—Н; б — структура электронного облака; в — расположение зарядов
Рис. 1. Строение молекулы воды
Рис. 1. Строение молекулы воды
а — угол между валентными связями О—Н; б — структура электронного облака; в — расположение зарядов
а — угол между валентными связями О—Н; б — структура электронного облака; в — расположение зарядов
долю !Н216О по массе приходится 99,73%, на долю
■н/’О - 0,2%, на 'Н2по - 0,04% и „а ’н2Н16О -
около 0,03%; остальные пять разновидностей содержатся в ничтожных количествах. Помня о многообразии состава
воды1Н2"воды1Н2"мы тем не менее пользуемся привычной формулой О, так как она является символом основного компо
воды
1Н2"
воды
1Н2"
нента.
В молекуле воды ядра водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два мелких ядра водорода, в вершине — более крупное ядро кислорода. Валентный угол у центрального атома кислорода, образованный связями Н—О—Н, составляет 104°27’ (рис. 1, а). Структура электронного облака молекулы схематично показана на рис. 1, б. Две внешние пары электронов, образующих связи О—Н, смещены к? атому кислорода, поэтому вблизи ядер атомов водорода создается избыток положительного заряда. Две неподеленные пары электронов также смещены относительно ядра атома кислорода, и их отрицательные заряды остаются частично не- скомпенсированными. Условно можно представить, что лепестки электронного облака направлены к вершинам частично искаженного тетраэдра, что иллюстрируется рис. 1, в. Ассиметричность распределения электрических зарядов обусловливает ярко выраженные полярные свойства молекулы воды, которая представляет собой диполь с очень высоким электрическим моментом.
Измерения молекулярной массы жидкой воды показали, что она выше молекулярной массы воды в парообразном состоянии; это свидетельствует об ассоциации молекул — объединении их в сложные агрегаты. Вследствие тетраэдрической направленности электронного облака каждая
О - 10-23-4•О - 10-23-4•Рис 2. Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда
О - 1
0-2
3
-4•
О - 1
0-2
3
-4•
/ — кислород; 2 — водород; 3 — химические связи; 4 — водородные связи
молекула воды может образовать четыре водородные связи, которые обусловливают ассоциацию молекул воды и способствуют возникновению ее упорядоченной внутренней структуры.
Водородные связи непрочны, легко разрушаются и образуются даже при обычных тепловых движениях молекул.
Полностью все четыре водородные связи реализуются при замерзании воды. В твердом состоянии каждая молекула тетраэдрически окружена четырьмя другими — тремя из того же слоя и одной их соседнего слоя молекул. Схема взаимодействия молекул воды в структуре льда показана на рис. 2. Структура льда является наиболее упорядоченной и наименее плотной. Ее особенность заключается в наличии пустот, размеры которых превышают размеры молекул.
СВОЙСТВА ВОДЫ
Чистая вода ~ жидкость без запаха, вкуса и цвета (лишь в слое толщиной более 2 м голубоватая). Основные физические характеристики воды (при давлении 0,1 МПа)
следующие:
Температура: замерзания, плавления0°С
кипения100°С
Плотность при температуре, °C: О 0,99984г/см3
3,98 0,99997гем4
20 0,9982 "
Удельная теплоемкость воды при f 20°С . . . 4,178 Дж/(г.К)
Вязкость при температуре, °C:
О 0,001793Пас
25 0,000895Па с
Удельная электрическая проводимость при(-20°С . . . . ;4,21 (Г см/м
Относительная диэлектрическая постоянная при t"20°C . . 81
Поверхностное натяжение при !■ |8°С7 3-10"3 Н/м
По сравнению с другими химическими соединениями вода обнаруживает необычные отклонения по ряду физических свойств — плотности, удельной теплоемкости и др. Эти аномалии воды в значительной степени связаны с ассоциацией ее молекул.
Уникальным свойством воды является ее способность при обычных температурах и давлении находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидкрм и газообразном (пар).
Повышение температуры воды действует двояко: вызывает нарушение регулярной структуры и приводит к тепловому расширению. В интервале температур от 0 до 4°С (плавление льда) происходит разрушение части водородных связей, т.е. нарушается структура льда, достигается более плотная упаковка молекул в результате размещения отдельных молекул воды в пустотах оставшихся агрегатов. В этом интервале температур фактор нарушения структуры преобладает над тепловым расширением, и плотность воды повышается, достигая максимального значения при 3,98°С. При 3,98°С оба фактора взаимно уравновешиваются. Дальнейшее нагревание воды до 100°С сопровождается нормальным снижением плотности, так как преобладает действие теплового расширения. Эта аномалия обусловливает возможность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время. Поскольку лед легче воды (его плотность меньше), то он располагается на поверхности и защищает лежащие ниже слои воды от промерзания. При дальнейшем понижении температуры увеличивается толщина слоя льда, но температура воды подо льдом остается на уровне 4°С, что позволяет водным организмам сохранять жизнь.
Большое значение в жизни природы имеет также и тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоемкостью — 4,18 ДжЛг'К). Высокая теплоемкость воды есть следствие расхода части теплоты на разрыв водородных связей. В природных условиях вода медленно остывает и медленно нагревается, являясь регулятором температуры на Земле.
Вязкость (способность жидкости оказывать сопротивление различным формам движения) воды закономерно изменяется в зависимости от температуры: уменьшается с ее возрастанием. С повышением концентрации растворенных в воде солей вязкость увеличивается. В то же время действие давления на вязкость воды довольно специфично: с понижением температуры при умеренном давлении вязкость воды снижается, хотя логично было бы ожидать ее повышения, а если давление увеличить значительно, то поведение воды подчиняется общему правилу.
Относительная диэлектрическая постоянная воды равна 81 — это очень высокая величина, чем и объясняется такая большая ионизирующая сила воды.
Вода имеет максимальное для жидкостей (кроме ртути) поверхностное натяжение, благодаря чему обеспечивается возможность движения соков в растениях, крови в сосудах животных и человека. С повышением температуры поверхностное натяжение воды уменьшается.
Оптические свойства воды оцениваются по ее прозрачности, которая в свою очередь зависит от длины волны луча, проходящего через воду. Ультрафиолетовые лучи легко проходят через воду, поэтому растительные организмы способны развиваться в толще воды и на дне водоемов, инфракрасные лучи проникают только в поверхностный слой и а незначительной степени. Вследствие поглощения оранжевых и красных компонентов видимого света вода приобретает голубоватую окраску.
Химически чистая вода очень плохо проводит электрический ток, но все же обладает некоторой электропроводимостью, так как она способна в очень незначительной степени диссоциировать на ионы водорода и гидроксил-ионы
Н2О ^ Н+ + ОН*.
По величине электропроводимости чистой воды вычислено, что при температуре 18°С в 10 млн л воды в диссоциированном состоянии находится 0,86 моля воды, при 22°С — 1 моль, при 25°С — 1,109 моля.
По закону Гульберга и Вааге скорость химической реакции прямо пропорциональна действующим массам, т.е. концентрациям реагирующих веществ. Поэтому можно написать
у. - ^i[H2O]; У2 - Х2[Н+ПОН"],
где х, и Уг— скорости прямой и обратной реакций; Кг и Кг — коэффициенты пропорциональности в выражениях скоростей, называемые константами реакций.
В момент равновесия процесса скорости и и V2 равны друг другу, следовательно
[H^JtOH l/tHiO] - К1/К2 - к*, (1)
где К — константа равновесия реакции при данной температуре, или константа диссоциации воды.
Уравнение (1) можно переписать в таком виде:
[Н+][ОН-] - ^[НгО].
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то концентрация недиссоциированных молекул воды практически равна общей концентрации воды, т.е. 55,55 моль/л, а поэтому произведение ^[НгО] можно считать константой. Эту константу обозначают Kw и называют ионным произведением воды
Kw - [Н+][ОН ].
Для воды и разбавленных водных растворов при неизменной температуре произведение концентраций ионов водорода и гидроксил-ионов есть величина постоянная. Численное значение ионного произведения воды при 22°С составляет КГ14, Вода — весьма реакционноспособное соединение. Она реагирует с оксидами многих металлов (Na2O, СаО и др.) и неметаллов (СЮ2, СО2 и др.), образует кристаллогидраты с некоторыми солями [А12(8О4)з*18Н2О], вступает во взаимодействие с активными металлами (Na, К и др.).
Вода — катализатор многих химических реакций, и иногда для прохождения реакции необходимы хотя бы ее следы. Взаимодействуя с некоторыми солями, вода вызывает процесс обменного разложения их — гидролиз. Вода — участник и среда для протекания множества биохимических реакций в живых организмах. Жизнь человека, растений, животных и микроорганизмов связана с водными растворами. В частности, процессы питания включают перевод вещества в раствор.
ВОДА — РАСТВОРИТЕЛЬ
Энергия образования молекул воды высока, она составляет 242 кДж/моль. Этим объясняется устойчивость воды в природных условиях. Устойчивость в сочетании с
электрическими характеристиками и молекулярным строением делают воду практически универсальным растворителем для многих веществ. Высокая диэлектрическая проницаемость обусловливает самую большую растворяющую способность воды по отношению к веществам, молекулы которых полярны. Из неорганических веществ в воде растворимы очень многие соли, кислоты и основания. Из органических веществ растворимы лишь те, в молекулах которых полярные группы составляют значительную часть — многие спирты, амины, органические кислоты, сахара' и т.д.
Растворение веществ в воде сопровождается образованием слабых связей между их молекулами или ионами и молекулами воды. Это явление называется гидратацией. Для веществ с ионной структурой характерно формирование гидратных оболочек вокруг катионов за счет донорно-акцепторной связи с неподеленной парой электронов атома кислорода. Катионы гидратированы тем в большей степени, чем меньше их радиус и выше заряд. Анионы, обычно менее гидратированные, чем катионы, присоединяют молекулы воды водородными связями.
' В процессе растворения веществ изменяется величина электрического момента диполя молекул воды, изменяется их пространственная ориентация, разрываются одни и образуются другие водородные связи. В совокупности эти явления приводят к перестройке внутренней структуры.
Растворимость твердых веществ в воде зависит от природы этих веществ и температуры и изменяется в широких пределах. Повышение температуры в большинстве случаев увеличивает растворимость солей. Однако растворимость таких соединений, как CaSO4"2H2O, Са(ОН)2, при повышении температуры снижается.
При взаимном растворении жидкостей, одной из которых является вода, возможны различные случаи. Например, спирт и вода смешиваются друг с другом в любых соотношениях, так как оба полярны. Бензин (неполярная жидкость) в воде практически нерастворим. Наиболее общим является случай ограниченной взаимной растворимости. Примером Moiyr служить системы вода—эфир, вода—фенол. При нагревании взаимная растворимость для одних жидкостей возрастает, для других — уменьшается. Например, для системы вода—фенол повышение темпера-
туры выше 68°С приводит к неограниченной взаимной растворимости.
Газы (например, NH3, СО2, SO2) хорошо растворимы в воде, как правило, в тех случаях, когда они вступают с водой в химическое взаимодействие; обычно же растворимость газов невелика. При повышении температуры растворимость газов в воде уменьшается. Ниже приведены данные по растворимости в воде (при атмосферном давлении) кислорода — важнейшего элемента для всех биологических процессов в водоемах и сооружениях по очистке загрязненных вод.
Температура воды, °CО 102030
Концентрация 02, мг/л 14,62 11,339,177,63
Следует отметить, что растворимость кислорода в воде почти в 2 раза выше, чем растворимость азота. Вследствие этого состав растворенного в воде водоемов или очистных сооружений воздуха отличается от атмосферного. Растворенный воздух обогащен кислородом, что очень важно для организмов, обитающих в водной среде.
Для водных растворов, как и для любых других, характерны понижение упругости пара над раствором (по сравнению с чистым растворителем), понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения. Одно из общих свойств растворов проявляется в явлении осмоса. Если два раствора разной концентрации разделены полупроницаемой перегородкой, молекулы растворителя проникают через нее из разбавленного раствора в концентрированный. Механизм осмоса можно понять, если учесть, что, согласно общему естественному принципу, все молекулярные системы стремятся к состоянию наиболее равномерного распределения (в случае двух растворов — стремление к выравниванию концентраций по обе стороны перегородки). Количественной характеристикой осмоса служит осмотическое давление. По закону Вант-Гоффа осмотическое давление раствора равно давлению, которое проявляло бы растворенное вещество, если бы оно было газообразным и занимало бы объем, равный объему раствора,
ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ВОДЫ И ПРАВИЛО ФАЗ
В физической химии системой называется тело или группа тел, выделенных из материального мира и имеющих определенные границы, которые отделяют их от окружа-
ющей среды. Системы могут быть гомогенными и гетерогенными. Система является гомогенной, если каждый параметр имеет во всех ее частях одинаковое значение или непрерывно изменяется от точки к точке. Например, вода дистиллированная (в каком7либо сосуде) — система гомогенная, так как в любой точке все свойства этой воды или одинаковы (плотность, удельная электропроводимость, теплопроводность и др.), или непрерывно изменяются от центра системы к ее границам (например, температура). К гомогенным системам относятся смеси газов, молекулярные и ионные растворы.
Гетерогенная система состоит из нескольких макроскопических частей, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела. На этих поверхностях некоторые параметры изменяются скачком. Если создать насыщенный раствор какой-либо соли в воде, чему сопутствует наличие твердой соли на дне сосуда, то такая система "раствор + твердая соль" гетерогенна. В этом примере на границе раздела скачкообразно изменяются химический состав и плотность. Гомогенные части системы, отделенные от остальных частей видимыми поверхностями раздела, называются фазами. Например, совокупность кристаллов соли в насыщенном растворе составляет одну фазу, раствор над твердой солью — другую.
Состояние системы описывается совокупностью ее свойств (или свойств фаз) — температурой, давление, массой, плотностью, химическим составом, а также' связями между изменениями этих свойств.
Каждое вещество, которое может быть выделено из системы и существовать вне ее, называется составляющим веществом. В водном растворе хлористого натрия составляющими веществами могут быть Н2О и NaCI, но не ионы Na+ и СГ, так как они не могут существовать вне раствора.
Важная характеристика системы — число компонентов (Л), под которым понимают наименьшее число составляющих веществ, с помощью которых можно описать состав каждой фазы системы в отдельности.
Если в системе не протекает химических реакций, число компонентов равно числу составляющих веществ. Например, в однофазной системе из газообразных гелия, водорода и аргона число компонентов равно числу состав-
ляющих веществ, т.е. трем, так как реакции между этими газами невозможны.
В системе, где составляющие вещества способны взаимодействовать друг с другом, число компонентов всегда меньше числа составляющих веществ. Например, водород и газообразный иод реагирует с образованием газообразного йодистого водорода. В этой системе
Н2(г) + 12(г) - 2Ш(г) концентрации составляющих веществ при равновесии связаны уравнением
[HI ]2/[Н2 ] [12 ] - К,(2)
где К —. константа равновесия, имеющая определенное значение при заданной температуре. В этом случае для определения состава равновесной системы достаточно знать концентрации любых двух составляющих веществ, так как концентрация третьего определяется уравнением (2). Иными словами, система имеет два компонента. В общем случае число компонентов равно числу составляющих веществ минус число уравнений, связывающих концентрации этих веществ в равновесной системе.
Для описания системы необходим еще один параметр — число степеней свободы с, которое означает число независимых переменных (температура, давление, концентрация составляющих веществ), определяющих термодинамическое состояние равновесия системы. Значения этих переменных можно в известных пределах произвольно изменять, не меняя числа и вида фаз в системе. По числу степеней свободы системы называют инвариантными, у которых число степеней свободы равно нулю, моновариантными — с одной степенью свободы, бивариантными — с двумя и тщ.
В 1876 г. Гиббсом было сформулировано правило фаз, которое охватывает все случаи равновесия систем как гомогенных, так и гетерогенных. Это правило гласит: Число степеней свободы с равновесной термодинамической системы, на которую из внешних факторов влияют только давление и температура, равно числу компонентов системы к плюс 2 и минус число фаз /, т.е.
с * к + 2 — /.
Нетрудно подсчитать, что для описанной выше газообразной смеси гелия, водорода и аргона число степеней свободы равно четырем, а для системы водород—газообразный иод-—газообразный иодистый водород — трем.
Рис. 3. Диаграмма состояния водыРис. 3. Диаграмма состояния воды
Рис. 3. Диаграмма состояния воды
Рис. 3. Диаграмма состояния воды
Диаграмма состояния — наглядный способ представления областей существования различных фаз в зависимости от внешних условий, например от давления и температуры.
Диаграмма состояния воды — система с одним компонентом Н2О, поэтому наибольшее число фаз, которые одновременно могут находиться в равновесии, равно трем. Эти три фазы — жидкость, лед, пар. Число степеней свободы в этом случае равно нулю, т.е. нельзя изменить ни давление, ни температуру, чтобы не исчезла ни одна из фаз. Обычный лед, жидкая вода и водяной пар могут существовать в равновесии одновременно только при давлении 0,61 кПа и температуре 0,0075°С. Точка сосуществования трех фаз называется тройной точкой (точка О, рис. 3).
Кривая ОС разделяет области пара и жидкости и представляет собой зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОС показывает те взаимосвязанные значения температуры и давления, при которых жидкая вода и водярой пар находятся в равновесии друг с другом, поэтому она называется кривой равновесия жидкость—пар или кривой кипения.
Кривая ОБ отделяет область жидкости от области льда. Она является кривой равновесия твердое состояние—жидкость и называется кривой плавления. Эта кривая показывает те взаимосвязанные пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.
Кривая ОА называется кривой сублимации и показывает взаимосвязанные пары значений давления и температуры, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.
Глава 2. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ.КОЛЛОИДЫ
В технологии очистки воды разного происхождения понятие дисперсность характеризует степень раздробленности частиц примесей, или их размер. Примеси воды с размерами частиц < 10"7 см образуют с ней истинные растворы — систе
мы гомогенные, однофазные. Природные и сточные воды в большинстве случаев являются гетерогенными системами, состоящими по меньшей мере из двух фаз.
ВИДЫ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Дисперсными называются системы, в которых одно вещество в виде очень мелких частиц распределено в среде другого вещества. Дисперсные системы гетерогенны. Совокупность мелких частиц составляет дисперсную фазу, а вещество, в котором они распределены, называется дисперсионной средой.
Дисперсные системы имеют много разновидностей, отличающихся агрегатным состоянием дисперсной фазы и дисперсионной среды. Если обозначить Г — газ, Ж —- жидкость, Т — твердое агрегатное состояние, при этом индекс 1 отнести к среде, а 2 — к фазе, то возможно несколько комбинаций. Например, И—Ж2 — это аэрозоль, более конкретно туман, когда в газообразной среде растворены капли воды; Г1—Т2 — тоже аэрозоли (аэрозоль пыль представляет собой газообразную систему с растворенными в ней твердыми частичками, а аэрозоль дым — ту же систему с конденсированными летучими веществами); Ж1—Г2 — это пена; Ж1—Ж2 — эмульсия; Ж1— Т2 с низкодисперсными частичками — суспензия, с тон- кодиспергированными частичками — коллоидные растворы,
или золи.
Свойства любой такой системы существенно зависят от размера частиц дисперсной фазы. Для количественной
оценки дисперсности введено понятие степень дисперсности Д — величина, обратная поперечному размеру частицы.
Гетерогенные системы, в которых дисперсионной средой
является жидкость, по степени дисперсности частиц подразделяются на взвеси (суспензии и эмульсии) с D< 105см'1 и коллоидные растворы (107>D^l(r см"1).
Дисперсные системы подразделяют также на лиофильные, частицы которых способны в большом количестве связывать молекулы дисперсионной среды, и лиофобные, в которых взаимодействие частиц с дисперсионной средой незначительно. Если дисперсионной средой в системе является вода, пользуются соответственно терминами гидрофильный и гидрофобный.
В гетерогенных дисперсных системах, например Ж1— Тг, жидкость и твердое вещество дисперсной фазы имеют поверхностную границу, где происходит их соприкосновение. Поверхность соприкосновения называется межфазовой. Состояние молекул в соприкасающихся слоях Ж1 и Тг отличается от состояния их внутренних слоев. На межфазовой поверхности молекулы твердого вещества дисперсной фазы испытывают притяжение молекул жидкости меньшее, чем со стороны молекул внутренних слоев Тг.
Возникающая при этом напряженность межмелекуляр- ных сил на границе раздела фаз определяет потенциальную энергию межфазовой поверхности, называемую поверхностной энергией.
КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ
По степени дисперсности частиц коллоидные растворы располагаются между взвесями и истинными растворами. По внутренней структуре коллоидных частиц различают: суспензоиды и ассоциативные или мицеллярные коллоиды.
Суспензоиды. К ним относятся такие коллоиды, которые сохраняют структуру исходного вещества, но имеют при этом высокую степень дисперсности.
Представители суспензоидов — растворы оксидов и гидроксидов металлов, сульфидов и других неорганических солей — золи гидрофобные. Их концентрация обычно не превышает 0,1%. Осадок таких растворов, остающийся после выпаривания, при соприкосновении с водой не способен вновь образовать коллоидный раствор, поэтому суспензоиды называют необратимыми коллоидами.
Вследствие малого размера частиц межфазовая поверхность очень велика и может достигать сотен квадратных метров на 1 г дисперсной фазы. Соответственно и запас свободной поверхностной энергии оказывается огромным, поэтому коллоидные растворы — системы термодинамически неустойчивые с выраженным стремлением
Рис. 4. Строение мицеллы
а — § > 0; б — к ■ 0 — изоэлектрическое состояние; Л — адсорбционный слой; Д— диффузионный слой;€- термодинамический потенциал; £— электрокинетический потенциал
к уменьшению поверхностной энергии. Запас поверхностной энергии может быть снижен в результате укрупнения частиц дисперсной фазы либо при адсорбции на их поверхности ионов и молекул дисперсионной среды.
Сложная структура частицы суспензоида (рис. 4) формируется вокруг ядра, состоящего из множества молекул не растворимого в дисперсионной среде вещества. Ядро избирательно адсорбирует на своей поверхности ионы, называемые потенциало-образующими, и приобретает заряд. Присутствующие в среде ионы с противоположным знаком заряда (противоионы) вследствие электрического притяжения группируются вокруг ядра, образуя коллоидную частицу. Часть противоионов электростатическими силами прочно связана с ядром и образует вместе с адсорбированными на ядре ионами адсорбционный слой. Ядро и адсорбционный слой ионов составляют частицу, несущую определенный заряд. Другая часть противоионов под влиянием диффузионных сил слабее связана с ядром и образует вокруг частицы ионную атмосферу — диффузионный слой, компенсирующий заряд частицы.
Частица в совокупности с диффузионным слоем составляет мицеллу Мицеллы электронейтральны.
Строение мицеллы золи гидроксида железа (III), когда он адсорбирует ионы Fe3* из раствора хлорного железа, можно представить следующим образом: .
ЧАСТ '-
1т [Ее (0Н)3] • п Ее3 * 3 (п, - х) С13х СЪ
I X*у--> <_,—/
ЯДРОАДСОРБЦИОННЫЙ СЛОЙ ДИФФУЗИОННЫЙ слой
МИЦЕЛЛА
Ассоциативные коллоиды. Ряд синтетических и природных веществ способен в зависимости от условий образовывать истинные и коллоидные растворы. К числу таких веществ относятся мыла, моющие средства, некоторые органические красители. Все они являются поверхностноактивными веществами.
Истинная растворимость этих веществ в воде невелика, но для них характерно образование ассоциатов молекул, достигающих размеров частиц коллоидной степени дисперсности, если концентрация раствора превышает некоторую критическую величину. Ассоциаты молекул, так же как в суспензоидах, называют мицеллами, а концентрацию, при которой начинается ассоциация молекул, называют критической концентрацией мицеллообразования (ККМ).
Все сказанное поясняет, почему растворы этих веществ называют ассоциативными или мицеллярными коллоидами.
Молекулы t веществ, способных образовывать коллоидные растворы этого типа, обычно имеют в своем составе углеводородный радикал, сродство которого к воде ничтожно, и полярные группы типа —СООН, —ОН и т.п. с высоким сродством к воде. Ядро мицеллы образуют ассоциированные углеводородные радикалы, а полярные группы обращены к растворителю и образуют внешний слой ассоциата. Диффузный слой мицеллы в зависимости от структуры вещества формируется из катионов или анионов (противоионов) и компенсирует суммарный заряд мицеллы.
Поверхностно-активные вещества широко применяются в быту и промышленности, поэтому часто оказываются в сточных водах.
Высокомолекулярные соединения (ВМС). К ним относятся природные и синтетические полимеры с молекулярной массой от десятков тысяч до нескольких миллионов. Это белки, полисахариды, каучук, синтетические полимеры. Размер молекул ВМС соответствует частицам коллоидной степени дисперсности. Растворы этих веществ часто называют молекулярными коллоидами, однако на самом деле ВМС образуют истинные растворы, т.е. однофазные системы. От коллоидных растворы ВМС отличает большая устойчивость, связанная с наличием в их молекулах большого количества лиофильных групп, более высокая концентрация растворов, способность сухого вещества набухать и переходить в растворенное состояние. Тем не менее растворы ВМС имеют и некоторые свойства коллоидов.
СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ
Молекулярно-кинетические свойства. Молекулярнокинетическими называются свойства, которые обусловлены хаотическим тепловым движением частиц. Применительно к коллоидным растворам к этим свойствам следует отнести броуновское движение, диффузию и седиментацию.
Броуновское движение — беспорядочное, хаотичное движение коллоидно- и микроскрпически-дисперсных частиц. Название дано по имени английского ученого Р. Броуна, открывшего это явление в 1827 г. Броуновское движение дисперсных частиц происходит вследствие непрерывного колебательного движения молекул дисперсионной среды. Интенсивность движения тем выше, чем больше температура, меньше вязкость среды и выше степень дисперсности.
Диффузия — самопроизвольный процесс перемещения вещества в результате беспорядочного теплового движения частиц, вследствие которого происходит выравнивание концентрации раствора. Скорость диффузии зависит от формы и размеров частиц, температуры и вязкости среды. Скорость диффузии коллоидных частиц меньше скорости диффузии частиц в истинных растворах.
Осмотическое давление коллоидных растворов значительно ниже, чем в истинных растворах той же концентрации. Объясняется это тем, что коллоидные частицы как по величине, так и по массе в огромное число раз больше обычных молекул. Вследствие этого и количество
их в коллоидном растворе во столько же раз меньше, чем в молекулярном растворе, а осмотическое давление коллоидов пропорционально числу частиц в единице объема.
Седиментация — оседание (или всплывание) частиц в дисперсионной среде под действием гравитационного поля. Фактором, противодействующим седиментации, является диффузия, стремящаяся выравнять концентрации по всему объему. Действие гравитационных сил оказывается преобладающим лишь для более крупных частиц. Для мелких частиц скорость диффузии достаточна, чтобы предотвратить их оседание. Совокупное действие седиментации и диффузии приводит к установлению с течением времени седиментационного равновесия, характеризующегося постепенным уменьшением концентрации от нижних к верхним слоям раствора.
Электрические свойства. В коллоидном растворе частицы находятся в постоянном движении, поэтому диффузный (очень размытый) слой В несколько отстает от частицы, и часть ионов этого слоя отрывается. В результате наблюдается декомпенсация зарядов, коллоидная частица становится отрицательно заряженной, а окружающий ее раствор приобретает положительный заряд. Возникающий при этом потенциал называется элект- рокинетическим потенциалом частицы (обозначается £ - потенциал, читается — дзета-потенциал). ^-потенциал составляет часть термодинамического потенциала в , возникающего на границе твердое тело—раствор (см. рис. 4) .$-потенциал является важной характеристикой системы, величина его тем больше, чем больше толщина диффузного слоя.
Диффузная часть двойного электрическою слоя не только подвижна, но и изменчива. Если повышать концентрацию раствора, то происходит вытеснение противоионов из диффузной в плотную часть двойного электрического слоя. Толщина слоя и величина £ -потенциала снижаются. Можно обеспечить такую концентрацию, когда вследствие перемещения противоионов S -потенциал станет равным нулю. В этом состоянии системы изменение термодинамического потенциала 5 от максимума до нуля происходит в адсорбционном слое. Это состояние системы называется изоэлектрическим и характеризуется изоэлектрической точкой.
Отличительным свойством коллоидных систем является их способность рассеивать свет. В темноте при пропускании пучка света через коллоидную систему виден светлый конус (эффект Тиндаля, описавшего это явление). Растворы ВМС при боковом освещении дают размытый конус Тиндаля.
УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕКОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ
Для коллоидных систем введены понятия о кинетической и агрегативной устойчивости.
Под кинетической устойчивостью понимают способность частиц коллоидного раствора находиться во взвешенном состоянии даже при существенном различии в плотностях дисперсионной среды и дисперсной фазы. Кинетическая устойчивость свойственна сильно разбавленным растворам и очень высокодисперсным золям.
Агрегативная устойчивость — способность системы сохранять свою степень дисперсности. Устойчивость коллоидных растворов связана с наличием одноименного заряда у коллоидных частиц. Двигаясь, частицы сближаются, при этом проявляются действие отталкивания одноименных ядер частиц и действие притяжения за счет межмолекулярных сил. В зависимости от того, какие силы преобладают, система либо устойчива, либо частицы дисперсной фазы слипаются и укрупняются.
Устойчивость коллоидных растворов можно повысить введением стабилизаторов. В качестве стабилизаторов используют высокомолекулярные соединения, такие, как белки, поверхностно-активные вещества и т.д. Стабилизаторы адсорбируются в поверхностном слое частиц и как бы придают золю свойства раствора использованного стабилизатора.
Под воздействием различных факторов коллоидные растворы способны разрушаться. Разрушение может сопровождаться слипанием отдельных частиц с образованием крупных агрегатов. Такой процесс разрушения коллоидного раствора называется коагуляцией. Коагуляция нарушает агрегативную устойчивость коллоидного раствора, крупные агрегаты частиц легк~ седиментируют под действием гравитационных сил.
Причиной коагуляции могут быть самые разнообразные факторы: изменение температуры и концентрации кол-
лоидного раствора, его старение, механические воздействия, введение в раствор золей с противоположным знаком заряда, добавление электролитов. Наибольшее практическое значение имеет последний фактор.
При введении в золь электролита (коагулянта) коагулирующее действие оказывает ион, имеющий противоположный заряд: для отрицательно заряженных золей — катион, для золей с положительным зарядом частицы — анион. Наименьшая концентрация электролита, вызывающая коагуляцию, называется порогом коагуляции. Чем выше заряд коагулирующего иона, тем ниже его пороговая концентрация. Коагуляция золя происходит при достижении в растворе критической величины § - потенциала, т.е. еще до достижения системой изоэлектрического состояния.
При определенных условиях процесс коагуляции может оказаться обратимым, и образовавшийся коагулят вновь может перейти в золь. Этот процесс называет пептизацией. Пептизация тем вероятнее, чем выше гидрофильность осажденного золя, и легче происходит в свежеосажденной системе с рыхлой структурой осадка. Причиной пептизации может быть введение в систему электролита с потенциалообразующими ионами, которые, адсорбируясь на частицах осадка, сообщают им заряд. В такой системе возрастает § -потенциал, одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга и начинают переходить в раствор.
Вопросы для самоконтроля
Чем объясняется дипольный характер молекулы воды и как он влияет на ее свойства?
Что означает термин "полярность молекулы"?
Перечислите аномалии физических свойств воды.
Какое значение для жизни на Земле имеет максимальная по сравнению с другими веществами теплоемкость воды?
Какое значение для обитателей водоемов имеют аномалии плотности воды?
Дайте определения системы, фазы, компонента.
В чем отличие гомогенных систем от гетерогенных?
Что показывает диаграмма состояния системы?
По диаграмме состояния воды дайте характеристику системы в тронной точке.
Как выражается на диаграмме состояния воды одна из ее особенностей — понижение температуры плавления льда с ростом давления?
Чем объясняется способность воды растворять самые разнообразные вещества?
Как влияет температура на растворимость в воде газов и солей?
Дайте определение понятию ’’дисперсная система".
Что такое степень дисперсности?
Как называются системы с размером частиц 10 s — 10*6 см?
Типичные коллоидные растворы — это однофазные, многофазные, гомогенные, гетерогенные системы. Составьте правильный ответ.
В чем отличия коллоидных растворов от истинных?
Под агрегативной устойчивостью коллоидных систем понимают... Закончите ответ.
Что понимают под терминами "суспензоид”, "мицеллярный раствор"?
Поясните понятия "мицелла", "частица”, "адсорбционный слой", "диффузионный слой".
Какие факторы способствуют устойчивости коллоидных растворов, при каких условиях обеспечивается их коагуляция?
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ
Г л а в а 3. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯО МИКРООРГАНИЗМАХ
Микробиология — это наука о микроорганизмах, относящихся к различным систематическим группам (бактерии, простейшие, водоросли, грибы, вирусы). Общим признаком перечисленных организмов является их микроскопический размер на протяжении всей жизни. Мир микроорганизмов очень разнообразен. Клетки одних микробов по своей структуре напоминают животные клетки, у других сходны с растительными, третьи могут сочетать признаки тех и других клеток или существенно отличаться от них.
Микроорганизмы, большинство которых состоит из одной клетки, отличаются от животных и растений простотой биологической организации. Это дало основание Э. Геккелю объединить их в третье царство живой природы и дать ему название "царство протистов". Основу строения клеток всех протистов, как и клеток высших животных и растений, составляют цитоплазма (или "живое вещество" клетки) и ядро. Однако развитие электронной микроскопии позволило выявить принципиальное различие в строении клеток протистов и разделить их на две четко различающиеся группы: высшие протисты — эукариоты и низшие проститы — прокариоты, или доядерные организмы.
Важнейшими признаками, отличающими эукариотическую клетку от прокариотической, являются структурная организация ядерного материала и способ его деления. Клетки эукариот имеют обособленное ядро, отделенное от цитоплазмы мембраной. Наследственная информация заключена в хромосомах, содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и белки особого типа Деление ядра при размножении клеток происходит в результате сложного процесса — митоза.
В клетках прокариот истинное ядро отсутствует, но есть ядроподобные образования — нуклеоиды (от лат. nukleus — ядро). По сравнению с ядрами клеток высших организмов они имеют более простое строение и не отделены от цитоплазмы оболочкой. Наследственную информацию несет одна хромосома, представляющая собой длинную молекулу ДНК.
К эукариотам относятся простейшие, водоросли (кроме сине-зеленых) и грибы. Группу низших протистов — прокариот составляют бактерии и сине-зеленые водоросли, которые в настоящее время называют цианобактериями.
Вирусы как неклеточные формы жизни выделены в отдельную группу.
МЕТОДЫ РАБОТЫ С МИКРООРГАНИЗМАМИ
Человеческий глаз способен различать объекты размером ^100 мкм. Большинство микроорганизмов в десятки и сотни раз меньше этой величины, поэтому изучение их структуры возможно только с помощью микроскопов. Разрешающая способность светового микроскопа, т.е. возможность различать две рядом лежащие точки, составляет 0,2 мкм. Это позволяет видеть не только большинство микроорганизмов, но и отдельные структурные компоненты клетки, такие, как оболочка, ядро, вакуоли. Однако увидеть вирусы и изучить ультраструктуры клеток других микроорганизмов позволяет только электронная микроскопия. Современные электронные микроскопы имеют разрешающую способность около 0,001 мкм. Таким образом, микроскопирование микроорганизмов дает возможность изучить строение их клеток.
Микроорганизмы чрезвычайно многообразны не только по организации клеток, но и по своим биохимическим признакам, однако методы работы с ними достаточно однотипны.
Многие микроорганизмы независимо от их вида осуществляют одни и те же биохимические процессы превращения определенных соединений. Такие микробы объединяют в одну физиологическую группу.
Количественное определение микроорганизмов в различных объектах (природной, питьевой, сточной воде, почве, активном иле, биопленке) проводят для оценки общей обсемененности и санитарно-эпидемиологической опасности, а также в технологических целях при биологической очистке сточных вод. Для понимания роли микроорганизмов в биохимических процессах, происходящих в природе и на очистных сооружениях водопровода и канализации, выделяют и изучают отдельные систематические и физиологические группы.
Основными методами определения количества микроорганизмов являются: 1) метод прямого счета клеток под микроскопом в препарате, подготовленном из
анализируемой пробы воды, почвы и т.д.; 2) метод посева на плотные или жидкие питательные среды.
Различные модификации метода прямого счета позволяют наиболее полно учесть численность микроорганизмов в исследуемом образце. Однако методом прямого счета определяются как живые, так и мертвые клетки микробов.
Методом посева на питательные среды учитываются только жизнеспособные клетки. Существуют среды, состав которых позволяет выращивать и определять на них многочисленные виды микроорганизмов. Для выделения определенных физиологических групп применяют специальные среды, пригодные для развития микроорганизмов только одной физиологической группы.
Сущность метода заключается в посеве строго измеренного объема подготовленной пробы на поверхность плотной питательной среды или в пробирку с жидкой средой, инкубации посева в оптимальных для тех или иных видов микроорганизмов условиях и подсчете количества клеток во взятом объеме пробы.
При использовании твердых сред после посева и инкубации подсчитывают число выросших колоний. Считается, что каждая колония вырастает из одной клетки. Зная объем пробы, взятой для посева, рассчитывают число микроорганизмов в 1 мл или в 1 г исследуемого материала.
Количественный учет микроорганизмов на жидких средах проводится методом предельных разведений. Сущность метода состоит в следующем. Готовят несколько последовательных разведений из исследуемой пробы. Из каждого разведения делают три параллельных посева в пробирки с жидкой средой* По прошествии необходимого срока инкубации в каждой из засеянных пробирок отмечают наличие или отсутствие роста микробов. Расчет ведут по наибольшему разведению, в посевах из которого обнаружен рост. Считается,что этот наименьший объем воды содержал только одну способную к размножению и в процессе инкубации размножившуюся особь. Точные подсчеты производят, пользуясь специальными таблицами.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВВ ПРИРОДЕ
Вследствие малых размеров, а также способности усваивать самые разнообразные вещества в качестве источников питания и легко приспосабливаться к условиям внешней среды микроорганизмы широко распрост-
ранены в природе и могут быть обнаружены там, где отсутствуют другие формы жизни. Широкое распространение микроорганизмов обусловлено также их способностью переносить неблагоприятные условия в виде покоящихся форм, быстро и интенсивно размножаться, переноситься на значительные расстояния водными и воздушными течениями с помощью птиц и насекомых.
Естественной средой обитания микроорганизмов являются почва, вода и организмы человека и животных. Воздух не является благоприятной средой для развития микробов, поскольку не содержит капельно-жидкой воды, но, попадая в воздух с поверхности земли или предметов вместе с пылью, многие микроорганизмы могут временно сохранять жизнеспособность.
Численность и видовой состав микроорганизмов, населяющих почву, определяются наличием в ней влаги и пита- * тельных веществ, реакцией среды, температурой, степенью аэрации. Почва, кроме самого верхнего слоя, служит микроорганизмам защитой от губительного действия прямых солнечных лучей. Почва является местом обитания разнообразных видов бактерий, водорослей, грибов, простейших. Наиболее богаты микроорганизмами хорошо обработанные почвы. Число бактерий в 1 г почвы может составлять несколько миллионов, водорослей ’— до 100 тыс., грибов — десятки тысяч.
Микроорганизмы, населяющие почву, обладают колоссальной общей поверхностью. Так, в пахотном слое 1 га почв поверхность микробных клеток составляет около 500 га. Именно этим и объясняется чрезвычайно активное воздействие микроорганизмов на почву. Большинство бактерий развивается в верхнем слое почвы глубиной 15 —20 см. Водоросли развиваются в слое до 10 см и иногда вызывают обильное цветение почвы. Выделяя кислород в процессе жизнедеятельности, они способствуют аэрации почвы. В условиях хорошей аэрации верхнего слоя интенсивно развиваются микроскопические грибы. В почве широко представлены черви и личинки насекомых, которые рыхлят почву, обеспечивая проникание кислорода в более глубокие слои.
Микронаселение водных объектов, его численность и видовое разнообразие определяются прежде всего степенью загрязненности воды, т.е. наличием в ней органических веществ. Гидробионты — обитатели водной среды — относятся к различным систематическим группам. В
природных водоемах могут развиваться водоросли, бактерии, простейшие, грибы.
Наиболее богаты микроорганизмами сточные воды. Число бактерий в 1 мл сточной воды может превышать 1 млрд. Источником микроорганизмов бытовых сточных вод являются физиологические выделения человека и его хозяйственная деятельность. Некоторые виды производственных сточных вод содержат специфические микроорганизмы, используемые в технологическом процессе производства лекарственных препаратов, спирта, молочнокислых продуктов и т.д. Ливневые сточные воды загрязнены микробами, вымываемыми из почвы.
Значительное число видов микроорганизмов обитает в организме человека и животных. Большинство из них составляет нормальную микрофлору, постоянно обитающую в теле биологического хозяина. Однако многие виды бактерий, простейших, грибов, попадая в организм человека, могут вызвать различные заболевания, такие микроорганизмы называются болезнетворными, или патогенными.
Г л а в а 4. МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКАОТДЕЛЬНЫХ ГРУПП МИКРООРГАНИЗМОВ
Морфология — наука о форме, внутреннем строении и размерах клеток микроорганизмов. Для водной и санитарной микробиологии наибольшее значение имеют систематические группы бактерий, простейших и водорослей. Бактерии играют основную роль в процессах изъятия и окисления органических и некоторых неорганических соединений при очистке сточных вод и самоочищении природных водоемов, поэтому рассматриваются более подробно.
ВЫСШИЕ ПРОТИСТЫ
Структура эукариотической клетки
Группа высших протестов представлена достаточно разнородными организмами, клетки которых сходны либо с животными, либо с растительными клетками. Цитоплазма и ядро клетки в совокупности образуют протопласт, окруженный снаружи цитоплазматической мембраной, пропу-
скающей внутрь клетки только воду, очень небольшие молекулы некоторых веществ и ионы. Цитоплазма клетки неоднородна. В ней обнаружены жизненно важные структурные образования — органеллы, выполняющие различные функции. Это — рибосомы, митохондрии, комплекс Гольджи. Первые имеют вид мелких зернышек, локализованных во внутриклеточных мембранах, образующих эндоплазматическую сеть. Рибосомы богаты рибонуклеиновой кислотой (РНК). В них осуществляется синтез белка. Митохондрии имеют округлую, овальную или палочковидную форму. РАзмер из колеблется от 0,2 до 7 мкм. В митохондриях протекают окислительные процессы, сопровождающиеся образованием энергии (дыхание). Комплекс Гольджи представляет собой тельца серповидной или палочковидной формы. Одним из продуктов комплекса являются лизосомы — округлые включения диаметром около 1 мкм, внутри которых сосредоточены ферменты, способные расщеплять питательные вещества. Важнейшей функцией комплекса Гольджи является накапливание продуктов обмена перед выводом их из клетки.
Цитоплазма эукариотической клетки находится в постоянном движении. Внутреннее пространство клетки делится мембранами на более или менее изолированные отсеки, в каждом из которых протекают определенные биохимические процессы.
К числу характерных функциональных особенностей, свойственных только эукариотам, относятся явления пиноцитоза и фагоцитоза. Сущность этих явлений состоит в переносе небольших капелек жидкости (пиноцитоз) или твердых частиц (фагоцитоз) в клетку в результате втягивания участка цитоплазматической мембраны внутрь, отрыва образовавшегося мешочка и превращения его в вакуоль, которая сливается с лизосомой* при этом вещества, попавшие в клетку, подвергаются гидролизу.
Простейшие
Организмы, относящиеся в Protozoa, очень многочисленны и, хотя тело их состоит из одной клетки, крайне разнообразны по своему строению. Общее число видов простейших превышает 25 тыс. Размеры их колеблются в широких пределах (от 2 мкм до 2 мм) и зависят от видовой принадлежности и физиологического состояния.
Некоторые наиболее высокоорганизованные виды простейших имеют ротовое отверстие и порошицу для удаления твердых неусвоенных остатков пищи. Жидкие продукты жизнедеятельности клетки удаляются с помощью сократительной вакуоли. Сократительная вакуоль представляет собой периодически нарастающий пузырек жидкости, который, достигая определенных размеров, подходит к оболочке клетки и выбрасывает свое содержимое наружу. В окружающей среде концентрация солей обычно меньше, чем внутри клетки. В соответствии с законами осмотического давления вода стремится проникнуть в клетку. Сократительная вакуоль, удаляя избыток воды, действует как откачивающий аппарат и поддерживает внутри клетки постоянное осмотическое давление. Из запасных веществ в клетках большинства простейших откладывается гликоген, в некоторых — жир. Окрашенные простейшие накапливают крахмал.
Размножаются Protozoa простым делением клеток (бесполое размножение) или в результате сложного полового процесса — конъюгации.
В неблагоприятных условиях многие простейшие превращаются в цисты. Такой процесс называет инцистированием и заключается в уменьшении объема тела, которое принимает округлую форму и покрывается плотной оболочкой, в результате чего приобретает устойчивость к воздействию вредных факторов внешней среды. Цисты многих простейших способны переносить полное высыхание в течение нескольких лет. При пересыхании мелких водоемов и луж цисты остаются в иле, превращающемся в пыль. Ветер вместе с пылью переносит их на большие расстояния, способствуя расселению Protozoa.
В основу классификации простейших положены главным образом способы их передвижения. Из пяти типов простейших в практике очистки природных и сточных вод наибольшее значение имеют два: Sarcomastigophora и Ciliophora.
Тип Sarcomastigophora делится на два класса: Sarcodina и Mastigophora.
Sarcodina. Представители этого класса простейших (рис. 5) во взрослом состоянии передвигаются с помощью особых меняющих форму выростов тела, которые носят название ложноножек или псевдоподий. У различных видов сакодо- вых псевдоподии весьма разнообразны по числу и форме. Некоторые из них имеют ложноножки широкие лопа-
Рис. 5. Sarcodina
Голые амебы: 1 — Amoeba radioza; 2 — Amoeba limax; раковинные амебы: 3 — Pamphagus hyalinus; 4 — Arcella diskoides
сте видные, другие — напоминающие сплетение корней дерева, третьи — в виде прямых тонких лучей.
В пресных природных водах и на очистных сооружениях канализации наиболее распространены подклассы Rhisopoda (корненожки) и Heliozoa (солнечники).
К корненожкам относятся одни из самых простых по морфологическому строению организмов — голые амебы (Amoebida). Низшие формы их лишены скелета и представляют собой голый комочек цитоплазмы. В ней различают внутренний жидкий, зернистый слой (эндоплазма) и более вязкий, плотный, тонкий ободок (эктоплазма). При движении амеба выпускает ложноножки в определенном направлении. Движение состоит как бы в медленном перетекании массы тела. Питание амебы происходит за счет явления фагоцитоза. Вокруг пищевого комка образуется пищеварительная вакуоль, внутри которой питательные вещества переводятся в растворимое состояние и через стенку вакуоли просачиваются в цитоплазму. Вакуоли с неусвоенными остатками выбрасываются наружу в любой точке тела. Размножаются амебы простым делением клетки.
Раковинные амебы (Testacea) отличаются от голых амеб наличием овальной или круглой раковины с отверстием (устьем) для псевдоподий. У одних амеб раковины построены из хитиноподобных веществ, образующихся в теле амебы, у других — из посторонних частиц, например мельчайших песчинок, склеенных выделениями цитоплазмы. Поступает пища и выводятся непереваренные остатки через устье раковины. Размножаются раковинные амебы делением клетки, но этому предшествует образование внутри тела запасных
Рис 6. Mastigophora
/ — мелкие бесцветные жгутиковые (Bodo sp.); 2 — Trepomonas steini; 3 — Oicomonas socialis
веществ, из которых затем строится раковина новой амебы. При делении примерно половина цитоплазмы с запасными веществами выходит через устье раковины наружу и окружается новой раковиной. Основным местом обитания раковинных амеб являются пресные воды.
Пищей амебам служат главным образом бактерии, другие простейшие и водоросли. Амебы способны захватывать частицы, значительно превышающие размеры их тела.
Mastigophora (или Flagellata). Органами движения для представителей этого класса служат жгутики — тонкие нитевидные выросты цитоплазмы. Клетки имеют от одного до восьми жгутиков.
Класс жгутиковых объединяет разнообразные по способам питания простейшие организмы. Окрашенные формы жгутиковых имеют светочувствительные пигменты (например, хлорофилл) и могут питаться как зеленые растения. Массовое развитие окрашенных жгутиковых вызывает иногда "цветение" мелких водоемов. Пищей Mastigophora других видов служат растворенные органические вещества, поступающие в клетку через всю ее поверхность. Наконец, среди жгутиковых есть формы, имеющие ротовое отверстие, расположенное у основания жгута. Жгутики для них служат не только органами движения, но и способствуют захвату пищи. Такие жгутиковые способны питаться бактериями, мелкими водорослями. Некоторые из окрашенных жгутиковых способны изменять способ питания в зависимости от условий. На свету они питаются как растения, а в темноте начинают интенсивно поглощать органические вещества.
Рис. 7. Infusoria -
Ресничные инфузории: 1 ~ Paramecium caudatum; 2 — Stentor coeruieus; 3 — Oxytricha pellionella; 4 — Stylonichia postulate; 5 — Euplotes haron; 6 — Vorticella con valla ria; 7 — Opercularia glomerate; сосущие инфузории: 8 — Tokophria lemnarum
При размножении клетки делятся в продольном направлении.
На очистных сооружениях канализации чаще всего встречаются мелкие бесцветные жгутиковые, некоторые представители которых изображены на рис. 6.
Тип Ciliophora (инфузории) включает два класса: Ciliata (ресничные инфузории) и Suctoria (сосущие инфузории). К этому типу относятся наиболее высокоорганизованные представители простейших. Их характерная особенность — наличие в клетках двух ядер, различных по своим размерам и функциям. Большому ядру приписывается основная роль в регуляции обменных процессов, в частности синтеза белка. Малое ядро контролирует передачу наследственных признаков.
Ciliata. Этот класс насчитывает более 300 видов. Органами движения цилиатам служат реснички — короткие волосовидные выросты плазмы (рис. 7).
Ресничные инфузории весьма разнообразны по форме, размерам, способам питания и образу жизни. Чаще всего инфузории имеют продолговато-овальную форму, тело некоторых (например, трубача) вытянуто в виде граммофонной трубы, иные напоминают колокольчики. Одни инфузории плавают в воде, другие прикрепляются к водным растениям и другим предметам, третьи ползают. Пищей большинству инфузорий служат бактерии и мелкие водоросли, но есть среди них организмы, питающиеся другими простейшими, в том числе и инфузориями.
Тело инфузорий покрыто тонкой, эластичной, очень прочной оболочкой — пелликулой. Благодаря эластичности пелликулы многие инфузории способны изгибать тело, сжиматься, принимать шарообразную форму.
Все инфузории, кроме некоторых паразитических форм, имеют ротовое отверстие, расположенное на дне околоротовой впадины. Вокруг рта расположены реснички, обычно более мощные и длинные, чем на других участках тела. С помощью этих ресничек пищевые частицы подгоняются ко рту и проглатываются инфузорией. Далее пища поступает в короткий канал (глотку), иногда выстланный ресничками. Пищевой комок у внутреннего края глотки обволакивается капелькой жидкости, выделяемой лизосомой. Так образуется пищеварительная вакуоль. По мере поступления пищи образуются новые вакуоли. При обилии питания этот процесс повторяется каждые 1—2 мин. Отрываясь от глотки, пищеварительная вакуоль подхватывается током цитоплазмы и совершает в клетке определенный путь, в течение которого происходит переваривание и всасывание растворенных веществ в цитоплазму. Длительность процесса пищеварения различна; у инфузории- туфельки она составляет около 1 ч. Вакуоли с непереваренными остатками пищи собираются около порошицы, сливаются в одну вакуоль и выбрасываются наружу каждые 7—10 мин. Жидкие продукты обмена удаляются с помощью сократительной вакуоли.
У ресничных инфузорий чередуется бесполое и половое размножение. При этом клетка делится в поперечном направлении. Половой процесс наступает периодически через несколько поколений.
Класс ресничных инфузорий делится на несколько отрядов, характеризующихся различным строением ресничного аппарата.
Отряд равноресничных инфузорий наиболее многочисленный. Тело этих инфузорий равномерно покрыто ресничками. Типичными представителями, широко распространенными в водоемах и на очистных сооружениях, являются инфузории рода Paramecium.
Отряд разноресннчных инфузорий характеризуется наличием спирально расположенного около ротового отверстия пояса ресничек. К этому отряду относятся одни из самых крупных инфузорийпресных вод — трубачи (Stentor).
Представители отряда брюхоресничных инфузорий кроме околоротового пояса ресничек имеют на брюшной стороне особые плотные щетинки, представляющие собой пучки склеенных ресничек. Благодаря им инфузории могут ползать по субстрату (Stylonichia, Oxytricha, Euplotes).
Подавляющее большинство представителей отряда кругоресничных инфузорий ведет сидячий образ жизни. Реснички расположены только около ротового отверстия. Движением ресничек создается водоворот в форме воронки, узкий конец которой обращен к ротовому отверстию. Взвешенные частицы осаждаются в нижней части воронки. Такой способ добывания пищи носит название седиментации и характерен для многих видов инфузорий-седиментаторов. С помощью длинных стебельков инфузории прикрепляются к растениям, раковинам, моллюскам, хлопочкам ила. Среди кругоресничных инфузорий есть как одиночные (Vorticella convallaria), так и колониальные формы (Opercularia glomerata).
Suctoria. Сосущие инфузории имеют ряд особенностей, которые обусловливают существенное отличие от их цилиат.
Этот класс представлен сидячими формами, лишенными во взрослом состоянии ресничек и не имеющими рта. Питаются эти инфузории с помощью особых сосательных щупалец — тонких трубочек с внутренним каналом и отверстием на конце, которыми они ловят добычу (главным образом ресничных инфузорий). Пелликула пойманной инфузории растворяется, и эндоплазма по каналу щупалец перетекает внутрь сосущей инфузории.
Основной способ размножения сукторий — почкование.
Водоросли
Клетки микроскопических водорослей подобно высшим растениям содержат светочувствительные пигменты, локализованные в специальных органеллах, называемых хлоропластами. Благодаря этому водоросли способны осуществлять процесс фотосинтеза. Снаружи клетки водорослей покрыты оболочкой. Жесткая оболочка выполняет защитные функции и участвует в регуляции осмотического давления в клетке. В центре клетки расположена вакуоль с клеточным соком. Тело водорослей (или таллом) может состоять из одной или множества клеток, образующих колонии или многоклеточные организмы.
В основу классификации водорослей положены различия в составе светочувствительных пигментов, морфологическое строение клетки, а также некоторые биохимические особенности, такие, как характер запасных веществ, состав клеточной оболочки и др. Из существующих типов мы рассмотрим два, имеющих наибольшее значение для пресных водоемов: зеленые и диатомовые водоросли (рис. 8).
Тип I. Зеленые водоросли (Chlorophyta) — самый распространенный тип среди водорослей, объединяющий крайне разнообразные по строению организмы. Среди зеленых водорослей есть одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы. У большинства видов этих водорослей клетки имеют целлюлозную оболочку, вакуоль с клеточным соком, как правило, одно дифференцированное ядро и хлоропласты, форма которых очень разнообразна: пластинки, сеточки, звездочки, диски. Зеленые водоросли содержат те же пигменты, что и высшие растения, т.е. хлорофилл и каротин. Размножение половое и бесполое с образованием подвижных зооспор.
К Chlorophyta относятся протококковые водоросли, обитающие в основном в пресных водоемах, где они населяют водный слой. Это неподвижные одноклеточные или колониальные организмы. В колониях клетки удерживаются иногда общей слизью, иногда за счет срастания целлюлозных оболочек отдельных клеток. Простейшим представителем протококковых является Chlorella vulgaris.
Вольвоксовые зеленые водоросли широко распространены в мелких стоячих водоемах, некоторые виды хорошо развиваются в сильно загрязненных местах, например на
6
Рис. 8. Водоросли
Зеленые водоросли: 1 — Chlorella vulgaris; 2 — Chlamidomonas simplex; 3 — Volvox aureus; 4 — Ulothrix zonata; диатомовые водоросли: 5 —
Melosira granulata; 6 — Pinnularia viridis
полях фильтрации и на биофильтрах. Растут вольвоксовые и в почве, и в проточных водоемах. К одноклеточным вольвоксовым водорослям относится Chalamidomonas. Колонии вольвоксовых образуются из множества отдельных клеток. Например, колония Volvox aureus имеет вид шара, образованного из 200—300 клеток. Каждая клетка имеет два жгутика, благодаря которым шар вольвокса движется в воде.
К многоклеточным зеленым водорослям относятся улотриксовые. Это в основном нитчатые формы, ветвящиеся и неветвящиеся. Клетки нити иногда покрыты общим слизистым чехлом. У молодых водорослей нити чаще всего прикреплены к субстрату, позднее они свободно плавают, образуя тину.
Тип II. Диатомовые водоросли (Diatomea) или Bacillariophyta представляют собой одноклеточные микроскопические организмы. Некоторые виды образуют колонии в виде нитей, лент, кустиков. Клетки имеют размеры от 4 до 1500 мкм, а колонии иногда достигают нескольких сантиметров.
, В клетках диатомовых водорослей обнаруживаются оформленное ядро и хлоропласты. Последние кроме
хлорофилла содержат бурые пигменты, поэтому цвет водорослей желтоватый или темно-бурый. Клетки имеют пектиновую оболочку и панцирь, состоящий их кремнезема. Панцирь является отличительной особенностью диатомовых водорослей и, подобно коробке, состоит из двух створок, вдвинутых одна в другую. Форма и строение панциря весьма разнообразны у различных видов. При размножении деление происходит в плоскости шва, образованного створками. Каждая из дочерних клеток получает только одну створку, но немедленно после деления на свободной поверхности клетки образуется недостающая часть панциря.
Неблагоприятные условия (замерзание, высушивание) диатомеи переносят в виде покоящейся стадии. Переход в эту стадию не сопровождается образованием специальных клеток, наблюдается лишь частичное или полное обезвоживание цитоплазмы.
Грибы
Грибы составляют обширную группу организмов с совершенно особой биологической организацией. Тело гриба состоит из тонких нитей — гифов, образующих разветвленную структуру, называемую мицелием. Гифы представляют собой жесткие трубочки, заполненные многоядерной цитоплазмой. У одноклеточных грибов гифы не имеют перегородок, тогда как мицелий многоклеточных грибов септирован (разделен на клетки). Некоторые грибы не имеют мицелиального строения.
У грибов нет светочувствительных пигментов, питаются они, поглощая всей поверхностью тела разнообразные органические вещества. Размножаются грибы спорами и обрывками гиф.
Основным местом обитания грибов является почва, но некоторые виды обитают и в водной среде. Среди грибов есть много форм, паразитирующих на водорослях, простейших, рыбах, в организмах человека и животных, на высших растениях.
В пресных водах встречаются как специфические, активно размножающиеся водные грибы, так и некоторые виды почвенных грибов, приспособившихся к водной среде. Большинство из них относится к группе примитивных грибов — фикомицетов.
Рис, 9. Грибы
1 — Mucormucedo; 2 — водный фикомицет; 3 — дрожжи
Для почвенных фикомицетов (рис.9, 7) характерно образование воздушных гифов — спорангиеносцев, расширяющихся на конце и переходящих в округлый спорангий, внутри которого развивается большое количество спор.
Один из водных фикомицетов показан на рис. 9, 2. Тело гриба представляет собой мешочек — спорангий диаметром около 100 мкм, прикрепленный к субстрату с помощью тонких ветвящихся нитей. В спорангии образуются клетки размножения — споры. При созревании спор спорангий разрывается и споры выходят наружу. Прорастая, спора превращается в растущий гриб.
В сточных водах могут обнаруживаться и другие виды грибов, используемых в быту и промышленности. К ним относятся дрожжи, грибы родов аспергиллус и пенициллиум и др.
Дрожжи не образуют мицелия, их клетки имеют круглую или яйцевидную форму размером 10—15 мкм (рис.9, 3). Применение дрожжей в промышленности связано с их способностью превращать сахар в этиловый спирт и углекислоту. Дрожжи применяются в хлебопечении, пивоварении, виноделии, спиртовой промышленности. Соответственно и сточные воды этих производств содержат клетки дрожжей.
Многоклеточные животные организмы
Природные и сточные воды служат местом временного или постоянного обитания целого ряда высокоорганизованных организмов.
Коловратки (Rotatoria) — микроскопические многоклеточные животные. У большинства коловраток довольно
Рис 10. Некоторые организмы природных и сточных вод
Коловратки: 1 — Philodinaroseola; 2*— Callidina vorax; 3 — Cathypna luna; черви: 4 — Nematoda; 5 — Tubifex tubifex; низшие ракообразные: 6 — дафния; 7 — циклоп; личинки насекомых: 8 —Chironomus piumosus; 9 — Psychoda; 10 — Podura
четко можно выделить головной отдел, туловище и ногу. Нога заканчивается пальце- и кинжалообразными отростками, с помощью которых коловратки могут прикрепляться к субстрату. Головной отдел Rotatoria снабжен коловраща- тельным аппаратом, состоящим из разнообразно расположенных ресничек различной длины. Реснички находятся в постоянном движении, за счет чего животное движется, и к ротовому отверстию подгоняется пища (бактерии, простейшие, органический детрит). Пища через рот попадает в глотку и затем в пищеварительный аппарат, состоящий из желудочка, кишки и выделительных органов. Туловище коловраток покрыто панцирем.
Коловратки широко распространены в природных водах, некоторые виды обитают в почве. На очистных сооружениях канализации часто встречаются Philodina roseola, Callidina vorax, Cathypna luna (рис. 10).
Черви (Vermes). Из червей, обитающих в природных водоемах и развивающихся на очистных сооружениях канализации, наибольшее значение имеют малощетинковые черви — олигохета и круглые — нематоды (см. рис. 10). К числу самых распространенных олигохет относятся: Limndrilus и Aelosoma длиной 0,2—10 мм. Более крупные Tubifex (1—4 см) и Nais (0,5—2 см) очень непритязательны в выборе места обитания, хорошо развиваются в водоемах с грязной водой. Живут олигохеты, зарывшись в ил. Пища их состоит преимущественно их органического детрита. Заглатывая иловые частички, черви частично минерализуют их.
Круглые черви тоже илоеды, живут в водоемах и развиваются на очистных сооружениях и в биофильтрах. Среди червей много форм, ведущих паразитический образ жизни на одной или нескольких стадиях своего развития. К ним относятся гельминты, паразитирующие в организме человека. Яйца гельминтов, таких, как аскариды, власоглавы, острицы, с физиологическими выделениями людей попадают во внешнюю среду, где развиваются до инвазионной стадии (стадии, на которой они могут вызвать заражение). При этом они длительное время сохраняют жизнеспособность даже в неблагоприятных условиях благодаря наличию в скорлупе яиц внутренней полупроницаемой липоидной оболочки. Поэтому вода открытых водо- . емов и почва могут быть источниками заражения человека паразитирующими червями.
Низшие ракообразные. Среди обитателей пресный водоемов к этой группе относятся веслоногие и ветвистоусые рачки. Веслоногие рачки, из которых наиболее распространены циклопы и диаптомусы, плавают с помощью нескольких пар грудных ног. Органами движения ветвистоусых рачков (дафний) служат антенны, оперенные плавательными щетинками (см. рис. 10, б, 7).
Низшие ракообразные питаются, процеживая воду через специальные органы. Отфильтрованная взвесь сжимается в комочки и поступает в рот. По способу добычи пищи рачков относят к активных фильтраторам. Пищей им служат бактерии, микроскопические водоросли, органические взвешенные вещества. Сами рачки служат пищей рыбам.
Личинки насекомых. У многих насекомых (комаров, мошек, стрекоз и др.) некоторые стадии развития проте-
кают в водной среде. Вследствие этого личинки и куколки насекомых составляют значительную часть населения больших и малых водоемов. В определенные периоды они развиваются и на очистных сооружениях, в частности в биофильтрах (см. рис. 10, S).
Личинки насекомых населяют илистое дно водоемов, обитают в водной среде, роют ходы в берегах рек. Развиваясь в больших количествах, они служат пищей рыбам и играют важную роль в минерализации органических веществ.
К числу самых распространенных донных организмов пресных вод относятся личинки Chironomida. Они обитают в лужах, болотах, больших реках и озерах. Большинство из них питается детритом, но есть и хищные виды, нападающие на тубифицид, низших рачков и более мелких личинок.
Личинки Chironomida, личинки и куколки мушки Psychoda и насекомые Podura в большом количестве развиваются в биофильтрах.
НИЗШИЕ ПРОТИС! Ы И УЛЬТРАМИКРОБЫ
Структура прокариотической клетки
Строение клеток низших протистов значительно более простое, чем у высших. При этом различное строение ядер- ного аппарата не является единственным признаком, отличающим эукариотическую клетку от прокариотической.
Одним из основных структурных компонентов клетки прокариотов является клеточная оболочка. В состав клеточной оболочки бактерий {рис.11, а) входят сложные молекулярные комплексы, состоящие из белков, полисахаридов и жироподобных веществ. Будучи жесткой, она служит как бы скелетом клетки, придавая ей определенную форму. Клетки цианобактерий (рис. 11, б) покрыты эластичной пектиновой оболочкой. Клеточная оболочка прокариот образует своеобразный барьер на пути прохождения растворенных веществ из окружающей среды внутрь клетки.
У некоторых видов бактерий на поверхности клетки находится слой слизи, образующий как бы футляр — капсулу. Слизь, выделяемая бактериями, может частично
Рис. 1L Схема строения прокариотической клетки
а — клетка бактерий; б — клетка цианобактерий; 7 — слизистая капсула; 2 — тилакоиды; 3 — клеточная стенка; 4 — цитоплазматическая мембрана; 5 — мезосома; 6— цитоплазма; 7 — рибосомы; 8 — полисахаридные гранулы; 9 — нуклеоид; 70 — включения серы; 11 — жировые капли; 12 — гранулы полифосфатов; 13 — жгутики; 14 — газовые вакуоли; 15 — вакуоль; 16 — гранула поли- /5 -оксимасляной кислоты; 17 — цианофициновая гранула
диффундировать в окружающую среду. Выделение слизи у отдельных видов бактерий бывает настолько сильным, что капсулы отдельных клеток сливаются, образуя зооглеи — скопление слизистой массы с вкрапленными в нее клетками. Образование слизи характерно и для многих видов цианобактерий.
К числу поверхностных структур клеток многих бактерий относятся жгутики — органы движения, представляющие собой длинные очень тонкие нити, спиральные, волнистые или изогнутые. Длина жгутиков может во много раз превышать длину тела бактерии. Количество и расположение жгутиков являются характерным видовым признаком. Некоторые виды бактерий имеют один жгутик, у других жгутики располагаются пучками на одном или
обоих концах клетки, у третьих покрывают всю поверхность клетки.
К оболочке вплотную прилегает цитоплазматическая мембрана. Она обладает избирательной проницаемостью, т.е. пропускает внутрь клетки и отводит из нее определенные вещества. Благодаря такой способности мембрана играет роль органеллы, концентрирующей питательные вещества внутри клетки и способствующей выделению наружу продуктов жизнедеятельности. Внутри клетки всегда наблюдается повышенное по сравнению с окружающей средой осмотической давление. Цитоплазматическая мембрана обеспечивает его постоянство. Кроме того, она является местом локализации ряда ферментных систем, в частности окислительно-восстановительных ферментов, связанных с получением энергии (у эукариот они находятся в митохондриях). В отличие от клеток эукариот в прокариотической клетке отсутствует деление ее на отсеки. Клетки прокариот не имеют ни комплекса Гольджи, ни митохондрий, не наблюдается у них и направленного движения цитоплазмы. Явления пиноцитоза и фагоцитоза прокариотам не свойственны. Из органелл только рибосомы аналогичны рибосомам эукариот.
Во многих бактериальных клетках обнаружены особые мембранные структуры — мезосомы, образовавшиеся в результате впячивания цитоплазматической мембраны внутрь клетки. Роль их до сих пор окончательно не выяснена. Существуют предположения об участии мезосом в важнейших внутриклеточных процессах деления клетки, синтеза веществ клеточной оболочки, энергетическом обмене.
Аналогичным путем в клетках окрашенных бактерий и цианобактерий образуются тилакоиды — мембранные структуры у прощеной формы, в которых локализуются светочувствительные пигменты.
В цитоплазме прокариот часто обнаруживаются твердые, жидкие или газообразные включения. Одни из их имеют приспособительные назначения: например, газовые, вакуоли цианобактерий, позволяющие им регулировать плавучесть в вертикальной плоскости. Другие включения играют роль запасных веществ и откладываются клеткой в условиях обильного питания. В качестве запасных веществ в клетках могут откладываться полисахариды (гликоген, крахмал, гранулеза), липиды (в виде гранул и капелек жира), полифосфаты (такие, как волютин), вещества бел-
кового характера (цианофициновые гранулы у цианобактерий). У многих серных бактерий в клетках откладывается молекулярная сера.
Бактерии
Бактерии составляют обширную группу микроорганизмов, широко распространенную в природе и играющую важную роль в практической деятельности человека, в частности в процессах очистки сточных вод. До сих пор не существует единой классификации бактерий, поскольку систематика их очень сложна. Наиболее распространенным и авторитетным является "Руководство Берги по определению бактерий". При его составлении авторы преследовали цель быстрой идентификации бактерий по совокупности морфологических и культуральных признаков с учетом некоторых физиологических особенностей. Бактерии разделены на 19 групп, названия которых включают легко определяемые признаки. Например, группа 3 имеет название "Бактерии, образующие слизистую оболочку", группа 5 "Спирохеты", группа 17 "Акциномицеты и родственные им организмы" и т.д.
Наименование бактерий складывается из двух слов: первое обозначает род и пишется с прописной буквы, второе — вид, к которому принадлежит бактерия, и пишется со строчной буквы. Например, Bacillus subtilis (сенная палочка).
Различают три основные формы бактериальных клеток: шаровидную, палочковидную и извитую.
Шаровидные бактерии называются кокками (от греч. coccus — ягода). В зависимости от расположения клеток после деления бактерий различают: 1) моно- или микрококки — располагаются одиночно; 2) диплококки — располагаются попарно, так как деление клетки происходит в одной плоскости; 3) стрептококки — делятся в одной плоскости, но особи не отделяются друг от друга и образуют длинные цепочки; 4) тетракокки— образуют группы из четырех клеток, что обусловлено делением клетки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; 5) сарцины — образуют скопления кубической формы в результате деления клетки в трех различных плоскостях; 6) стафилококки — делятся неправильно в нескольких плоскостях, их скопления напоминают кисть винограда (рис. 12).
Р*с< IX Морфологические типы бактерий
I — микрококки; 2 — диплококки; 3 *- стрептококки; 4 -* тетракокки; 5 ™ сариионы; 6 ** стафилококки; 7 — палочки; 8 — вибрионы; 9 ** спириллы; 10 ~ спирохеты
Диаметр шаровидных бактерий не превышает 1—2 мкм. Клетки неподвижны.
Палочковидные бактерии, как и кокки, могут быть одиночными, соединяться попарно или в длинную цепочку по три и более клетки. Средняя длина палочковидных бактерий составляет 2—7 мкм при диаметре 0,5—1 мкм. Среди палочковидных бактерий есть подвижные и неподвижные формы. Орган движения — жгутик.
Извитые формы бактерий в зависимости от степени изогнутости делятся на вибрионы, имеющие вид запятой, спириллы с одним или несколькими завитками и спирохеты. Длина клетки вибрионов не превышает 1—3 мкм. Длина тела спирилл колеблется от 5 до 30 мкм при толщине 0,25—1 мкм. Вибрионы и спириллы двигаются с помощью жгутиков.
В отличие от спирилл клеточная оболочка спирохет эластична, благодаря чему они способны двигаться, винтообразно изгибая тело. Характерной особенностью спирохет является крайне малый диаметр клетки (0,1—0,6 мкм) при относительно большой (5—500 мкм) длине тела.
Некоторые виды бактерий, главным образом палочковидные, способны на определенной стадии развития образовывать споры, по своим функциям аналогичные цистам простейших. Спорообразование связано обычно с неблагоприятными условиями среды: понижением содержания влаги, отсутствием питательных веществ и т.д. .
В клетке всегда образуется только одна спора. Процесс спорообразования начинается с уплотнения цитоплазмы в
ядерной эоне и обособления ее вместе в ДНК перегородкой, образующейся из цитоплазматической мембраны. Затем на отсеченном участке цитоплазмы формируется двухслойная мембрана и оболочка споры, выполняющая защитные функции, так как она мало проницаема для воды и растворенных веществ и обеспечивает большую устойчивость спор к внешним воздействиям. Споры многих болезнетворных бактерий сохраняют жизнеспособность в почве в течение нескольких лет. Споры способны выдерживать действие высоких температур (например, спора сенной палочки не теряет жизнеспособности даже после З-ч кипячения).
У некоторых видов диаметр споры превышает ширину клетки, что придает ей форму веретена или барабанной палочки в зависимости от места расположения споры. Веретенообразные спороносные бактерии называются клостридиями (от англ, closter — веретено). Другие спороносные бактерии называются бациллами.
Попадая в благоприятные условия, спора прорастает. Процесс превращения споры в растущую (вегетативную) клетку начинается с поглощения ею воды и набухания споры. Внутри споры происходят химические изменения, затем споровая оболочка разрывается и образуется вегетативная клетка.
Несколько особняком стоят нитчатые бактерии, представляющие собой длинные нити из соединенных вместе палочковидных клеток, покрытых общим чехлом. В отличие от описанных выше форм бактерий нитчатые являются многоклеточными организмами. В пределах нити, как и у остальных бактерий, клетки размножаются.
Кроме того, нитчатые формы имеют специальные клетки размножения — гонидии, образующиеся из концевых клеток нити. У некоторых форм гонидии передвигаются с помощью жгутиков, у других они неподвижны. Нитчатые бактерии — типичные водные организмы. Нити их имеют толщину в среднем 1—7 мкм. Длина этих бактерий достигает таких размеров, что они видны даже невооруженным глазом.
Клетки актиномицетов, или лучистых грибков, обладают способностью ветвиться. У некоторых видов переплетение нитей образует мицелий, подобный мицелию гриба. Эти актиномицеты, как и грибы, размножаются спорами. Клетки их обладают признаками и бактерий, и грибов,
но в отличие от последних не имеют структур, свойственных эукариотам. Клетки других видов (микобактерии) похожи на искривленные палочки с боковыми выростами. Размножаются делением и перешнуровыванием. Актиномицеты обитают в воде, почве, на растительных и животных остатках. Многие актиномицеты, развиваясь в воде, придают ей специфический землистый запах.
Цианобактерии -
Группа цианобактерий престав лена одноклеточными, колониальными и нитчатыми формами. Отличительной особенностью цианобактерий является своеобразная синезеленая окраска, обусловленная присутствием в их клетках четырех светочувствительных пигментов: зеленого, синего, красного и желтого. В зависимости от количественного соотношения пигментов меняется и окраска клеток. Колониальные формы цианобактерий образуются в результате слияния слизи отдельных клеток. Как правило, колонии не имеют определенной формы. У нитчатых форм клетки в пределах одной нити могут быть одинаковыми или разными по величине и форме. Сверху клетки нити покрыты общим слизистым чехлом. У некоторых видов нити способны ветвиться. Часто наблюдается образование гетероцист, расположенных в нити через определенное число клеток. Гетероцисты образуются из вегетативных клеток, но по размеру значительно превосходят их. Они имеют плотную оболочку, но через поры сообщаются с соседними клетками. Предполагают, что гетероцисты — специализированные клетки, осуществляющие фиксацию азота.
Многие виды цианобактерий способны образовывать споры. У одних видов споры, как у истинных бактерий являются формой, наиболее устойчивой к неблагоприятным условиям. В этом случае из одной клетки образуется только одна спора. У других цианобактерий споры, как у грибов, служат способом размножения. В это случае внутри материнской клетки формируется множество мелких спор, освобождающихся при разрыве оболочки.
Распространены цианобактерии буквально повсеместно. Их находят в больших и малых соленых и пресных водоемах, в почве, на скалах, в пустыне и в Арктике. Такое широкое распространение цианобактерий связано прежде
всего с их чрезвычайной устойчивостью к действию неблагоприятных условий и удивительной нетребовательностью к питательным веществам.
Ультрамикробы
В группу ультрамикробов входят вирусы и бактериофаги.
Вирусы (от лат. virus — яд) отличаются от других микроорганизмов отсутствием клеточной структуры. Они не имеют ни ядра, ни оболочки, ни цитоплазмы. Размеры вирусов колеблются от десятых до тысячных долей микрометра. В состав большинства вирусов входят белок и одна йз нуклеиновых кислот. Вирусы поражают растения, животных и человека. Они способны размножаться только внутри живых клеток, легко переносят высушивание и низкие температуры, но чувствительны к действию ультрафиолетовых лучей.
Вирусы, поражающие бактерии, называются бактериофагами (буквально — пожиратели бактерий) иди просто фагами. Они имеют округлую или многогранную головку и отросток в виде белковой трубочки. Головка окружена белковым чехлом и содержит ДНК или РНК. Прикрепляясь к клеточной стенке, бактериофаг как бы просверливает ее, и ДНК фага через отросток поступает в клетку. Фаговая ДНК так перестраивает механизм обменных процессов бактерии, что в ней начинают синтезироваться частицы фага. Через определенное время все содержимое клетки превращается в зрелые фаговые частицы, оболочка бактерии растворяется и фаги выходят наружу.
Г л а в а 5. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Физиология — наука о процессах, протекающих в живом организме, и их взаимосвязи с условиями окружающей среды.
При в^ем многообразии микроорганизмов их клетки, как и клетки высших животных и растений, состоят их одних и тех же химических соединений. Важнейшими из них являются вода, белки, жиры, углеводы.
Функции, которые выполняют в клетке вода и перечисленные классы органических веществ, также
идентичны для всех ■ организмов. Вода является дисперсионной средой для коллоидов цитоплазмы и растворителем для рада органических и неорганических соединений. Она служит не только средой для разнообразных биохимических процессов, но и сама принимает участие в таких реакциях, как гидролиз, окисление и т.д. Обладая низкой вязкостью и способностью растворять различные вещества, вода выполняет транспортные функции: обеспечивает поступление питательных веществ внутрь клетки и вывод продуктов жизнедеятельности из нее. Часть воды в клетке связана с коллоидами цитоплазмы и входит в состав рибосом, митохондрий и других органелл.
Белки являются главной составной частью всех внутриклеточных структур, основой жизни клеток. Универсальная функция нуклеиновых кислот — хранение и передача наследственных признаков. Жиры и углеводы в связанном состоянии входят в состав структурных компонентов клетки, в свободном состоянии они играют роль запасных веществ и являются источниками энергии.
В простейшей бактериальной клетке содержатся около 40 млн. различных органических молекул, огромное число молекул воды, минеральные соли. В клетке одновременно протекает множество разнообразных реакций, идущих с высокой скоростью и в строгой последовательности. Согласованность и быстрота всех химических реакций в клетке объясняются наличием в ней особых соединений — катализаторов, называемых ферментами.
ФЕРМЕНТЫ
Структура и свойства ферментов
Ферментами (или энзимами) называются сложные белковые соединения, выполняющие роль катализаторов в биохимических реакциях. Ферменты синтезируются самой клеткой. Все ферменты по своей химической природе относятся к белковым соединениям и имеют молекулярную массу, достигающую сотен тысяч и миллионов. На поверхности из гигантских молекул и протекают каталитические реакции.
По строению молекулы-ферменты подразделяются на одно- и двухкомпонентные. Первые представляют собой простые белки—протеины. На отдельных участках молекулы ферментов-протеинов в результате определенного про-
странственного расположения остатков аминокислот создаются так называемые активные центры, в которых протекают каталитические реакции. Активные центры реагируют только с тем субстратом, пространственная конфигурация которого совпадает со структурой центра.
Большинство ферментов является сложными белками — протеидами. Их молекула состоит из двух частей: 1) белковая часть — называется носителем или апоферментом; 2) небелковый компонент, обладающий каталитической активностью, — называется коферментом, или простетической группой. Активность этой группы, отделенной от апофермента, невелика. Белковый носитель увеличивает активность кофермента и определяет специфичность его действия. Роль коферментов часто выполняют витамины или соединения, содержащие их.
Как и неорганические катализаторы, ферменты ускоряют только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но с очень малыми скоростями. В то же время ферментативный катализ значительно отличается от неферментативного. Одной из основных особенностей ферментов по сравнению с неорганическими катализаторами является их способность действовать в ’’мягких" условиях, т.е. при достаточно низких температурах, нормальном давлении и реакции среды, близкой к нейтральной. Каталитическая активность ферментов при этом чрезвычайно высока. Например, ионы железа каталитически ускоряют реакцию разложения перекиси водорода, а атомы того же железа в составе фермента каталазы проводят ту же реакцию в 10 млрд, раз быстрее. Вторая особенность ферментов заключается в строгой специфичности их действия и проявляется в способности ферментов реагировать лишь с определенным химическим соединением, классом соединений или действовать на определенную химическую связь.
Процесс превращения веществ в клетке представляет собой серию последовательных биохимических реакций, каждую из которых катализирует соответствующий фермент. При этом продукт одной реакции служит субстратом для следующей. Такая кооперативность и строгая последовательность в действии ферментов являются их самым существенным отличием от катализаторов иной природы.
По месту действия ферменты подразделяются на внутриклеточные (эндоферменты) и на ферменты, которые клетка может выделять во внешнюю среду (экзоферменты). К последним относятся главным образом гидролитические фер-
менты, катализирующие расщепление сложных субстратов до более простых веществ, способных проникать в клетку.
Клетки каждого вида микробов имеют совершенно определенный набор ферментов, характерный для данного вида. В некоторых случаях в клетке под воздействием каких-либо факторов, например изменения состава питания, синтезируются ферменты, не свойственные данной клетке в обычных условиях. Появление таких ферментов связано со стремлением организма приспособиться (адаптироваться) к изменившимся условиям, поэтому и ферменты эти носят название адаптивных.
Классификация ферментов
В период открытия первых ферментов названия им давались по случайным признакам. Например, пепсин, обнаруженный в желудочном соке, получил свое название от греческого слова пепсис — пищеварение. Позднее Дюкло предложил ввести рациональную номенклатуру, где ферментам давалось название по названию субстрата, на который он действует, с прибавлением суффикса "аза". Так, фермент, разлагающий сахарозу, назывался сахараза. Эта номенклатура получила наибольшее распространение.
В 1961 г. V Международный биохимический конгресс принял новую номенклатуру, построенную на строго научных принципах. Согласно этой номенклатуре, все ферменты делятся на шесть классов по типу катализируемой реакции.
Оксиредуктазы ускоряют окислительно-восстановительные реакции, осуществляя перенос электронов или атомов водорода (е" + Н) от окисляемого субстрата (донора водорода) к акцептору, который при этом восстанавливается. Биохимическое окисление органических соединений происходит путем их дегидрирования. Процесс этот катализирует оксиредуктазы, носящие название дегидрогеназ. Первичные дегидрогеназы в качестве кофермента чаще всего имеют никотинамид-адениндинуклеотид (НАД). В сочетании с различными белковыми носителями НАД образует множество ферментов, действующих на определенные вещества. В общем виде реакцию дегидрирования можно записать так: , .
(органическое вещество — донор 2Н) + НАД —* (окисленное органическое вещество) + НАД Нг.
Рис 13. Схема передачи электронов по цитохромной системе
Первичные дегидрогеназы называют анаэробными, так как они не могут передавать водород непосредственно кислороду. Регенерация их происходит в результате передачи атома водорода молекуле другого органического соединения или вторичной дегидрогеназе. Коферментом вторичных дегидрогеназ является флавин-аденин-динукле- отид (ФАД):
НАД Н2 + ФАД — ФАД Н2 + НАД.
Вторичные дегидрогеназы могут передавать вбдород непосредственно кислороду, поэтому называются аэробными дегидрогеназами: .
ФАД Н2 + 1/2Q2—Н2О + ФАД.
Однако в большинстве случаев регенерация ФАД происходит в результате взаимодействия с ферментами цитохромной системы, состоящей из нескольких ферментов — цитохромов, в состав простетической группы которых входят атомы железа. Цитохромная система не принимает атомов водорода с ФАД Нг, но способна принимать электроны, снятые с атомов водорода. Электрон передается по цепи цитохромов за счет изменения валентности атомов железа. Последний фермент в цитохромной системе носит название цитохромоксидазы. Только он способен передавать электрон его конечному акцептору— кислороду. Одновременно через раствор передается кислороду протон (рис. 13).
Оксиредуктазы катализируют биохимические процессы, сопровождающиеся выделением энергии.
Гидролазы катализируют реакции гидролитического разложения сложных органических соединений. В общем виде реакция гидролиза вещества А1А2 записывается следующим образом:
А1А2 + НОН OWS AiOH + АзН.
В зависимости от химической природы гидролизируемого субстрата гидролазы подразделяются на несколько групп: эстеразы ускоряют гидролитическое расщепление сложных эфиров (к этой группе относятся липазы, участвующие в гидролизе жиров); глюкозидазы катализируют гидролиз сложных углеводов; пептидазы ускоряют гидролиз пептидных связей в белковых молекулах.
Трансферазы ускоряют реакцию переноса молекулярных остатков и атомных групп. Ферменты этого класса подразделяются по характеру переносимой группы.
Лиазы — ферменты, катализирующие отщепление атомных группировок с образованием двойных связей или присоединение по месту этих связей. Одной из важнейших групп ферментов этого класса являются декарбоксилазы, с участием которых протекают реакции декарбоксилирования — отщепления СОз.
Изомеразы катализируют внутримолекулярные превращения, например реакции превращения одного изомера в другой.
Лигазы ускоряют реакции синтеза сложных органических соединений, поэтому их называют иногда синтетазами. Реакции, катализируемые ферментами этого класса, протекают сопряженно с реакциями распада АТФ. Энергия молекулы АТФ используется для активирования исходных реагирующих веществ. Эти ферменты играют значительную роль в биосинтезе белков, нуклеиновых и жирных кислот и других соединений.
Кинетика ферментативных реакций
Под ферментативной кинетикой понимают зависимость скорости реакции от концентрации фермента и субстрата и от условий ее протекания, таких, как температура, реакция среды и т.д.
В упрощенном виде реакция превращения субстрата S в продукт Р при участии фермента Е записывается следующим образом:
^*1 ^+-2.
Е + S Vs ES — Е + Р,
где ES — фермент-субстратный комплекс — промежуточное соединение, образующееся в начальной стадии реакции; Л-1 — константы скоростей прямой реакции образования комплекса ES и обратной реакции его диссоциации; к*1 — константа скорости распада комплекса ES.
Математическое выражение зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата впервые предложено Михаэлисом и Ментен. Уравнение Михаэлиса— Ментен для такой реакции имеет вид
k+2 [Е] [S]
(3)(3)v =5
(3)
(3)
km+[Sl
где кь - (k-i 4- Л+г)/к*1 — константа Михаэлиса.
Скорость образования продукта реакции определяется концентрацией комплекса ES, поэтому максимальной величины скорость достигает при условии, когда весь фермент связан в фермент-субстратном комплексе:
V - *+2[ES] - *+2[Е].
Тогда уравнение (3) получит следующий вид:
Ушах “ Vmax[S]/(£m + [S]).
Если v = vmax/2, то Лт ■ [S]. Таким образом,константа £ш численно равна такой концентрации субстрата, при которой скорость составляет половину максимальной.
Анализ уравнения (3) показывает, что при условии [S] » [Е ] скорость ферментативной реакции линейно изменяется с изменением концентрации фермента. При изменении концентрации субстрата в широких пределах скорость ферментативной реакции сначала пропорциональна концентрации субстрата (при низких концентрациях его), а затем достигает постоянного максимального значения.
Скорость биохимических реакций в клетке является функцией активности ферментов, которая, в свою очередь, зависит от температуры, pH, присутствия в среде некоторых химических соединений. Вещества, которые повышают активность ферментов, называются активаторами. К их числу относятся ионы некоторых металлов (Мп, Mg, Zn) и ионы хлора. Соли тяжелых металлов, синильная кислота, оксид углерода резко снижают активность ферментов и являются ингибиторами, которые блокируют фермент, препятствуя его реакции с субстратом.
Одним из важнейших факторов внешней среды, влияющих на активность ферментов, является температура. С повышением температуры скорость ферментативных процессов, как и большинства химических реакций, возрастает, но в отличие от них в более узких пределах. По
достижении определенной температуры наблюдается уменьшение скорости ферментативной реакции. Падение скорости связано с деструкцией белковой части фермента при повышенных температурах и потерей в результате этого каталитической активности.
Активность ферментов зависит и от концентрации ионов водорода. Большинство ферментов имеют максимальную активность в среде, близкой к нейтральной, отклонение pH от оптимальных значений приводит к резкому снижению активности ферментов.
Основные положения ферментативной кинетики применимы и к процессу биологической очистки сточных вод, хотя это значительно более сложный процесс, в котором участвуют комплекс ферментов и разнообразные органические вещества сточной воды.
ОБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЕТКАХМИКРООРГАНИЗМОВ
Общие понятия об обмене веществ и энергии
Любой организм может существовать до тех пор, пока происходит поступление питательных веществ из внешней среды и пока продукты его жизнедеятельности выделяются в эту среду. Внутри клетки происходит непрерывный очень сложный комплекс химических превращений, благодаря которым из питательных веществ образуются компоненты тела клетки. Совокупность процессов превращения материи в живом организме, сопровождающихся постоянным ее обновлением, и называется обменом веществ.
Часть общего обмена, которая состоит в поглощении, усвоении питательных веществ и создании за их счет структурных компонентов клетки, называется ассимиляцией — это конструктивный обмен. Вторую часть общего обмена составляют процессы диссимиляции. т.е. процессы разложения и окисления органических веществ, в результате которых клетка получает энергию, — это энергетический обмен. Конструктивный и энергетический обмен составляют единое целое.
В процессе конструктивного обмена клетка из довольно ограниченного числа низкомолекулярных соединений синтезирует биополимеры своего тела. Биосинтетические реакции протекают при участии разнообразных ферментов и требуют затрат энергии.
Живые организмы могут использовать только химически связанную энергию. Каждое вещество обладает определенным запасом потенциальной энергии. Главными материальными носителями ее являются химические связи, разрыв или преобразование которых приводит к освобождению энергии. Энергетический уровень одних связей имеет величину 8—10 кДж — эти связи называются нормальными. В других связях заключена значительно большая энергия — 25—40 кДж — это так называемые макро- эргические связи. Почти все известные соединения, обладающие такими связями, имеют в своем составе атомы фосфора или серы, по месту которых в молекуле и локализованы эти связи. Одним из соединений, играющих важнейшую роль в жизнедеятельности клетки, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
В состав молекулы АТФ входят аденин, рибоза и три остатка фосфорной кислоты:
он он ОН
(АДЕНИН + РИБОЗА) РQ го р О^Р —ОН
НIIII
ооо
Макроэргические связи в молекуле АТФ (они обозначены волнистой линией) очень непрочны. При разрыве концевой фосфатной связи образуется аденозиндифосфорная кислота (АДФ) и выделяется около 40 кДж энергии, которая используется клеткой для всех жизненных процессов, в частности в реакциях биосинтеза. Запас АТФ в клетках непрерывно возобновляется за счет реакции присоединения остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ:
АДФ + Н3РО4 ^ АТФ 4- Н2О.
Процесс образования АТФ у эукариот протекает в митохондриях, у прокариот — в ферментных системах, локализованных на цитоплазматической мембране.
Синтез АТФ протекает при участии специфических ферментов и сопровождается поглощением энергии, способы получения которой у микроорганизмов весьма разнообразны, но могут быть сведены к двум типам: 1) использование энергии света; 2) использование энергии химических реакций. При этом тот и другой вид энергии трансформируется в энергию химических связей АТФ. Клетка может накапливать молекулы АТФ и расходовать их
энергию для различных целей. Таким образом, АТФ выполняет в клетке роль трансформатора, аккумулятора и поставщика энергии.
В живом организме непрерывно происходит перераспределение энергии между веществами. В итоге энергия питательных веществ превращается в энергию, потребляемую организмом в процессе развития и размножения, в энергию движения, а также частично рассеивается в виде тепла.
ТИПЫ ПИТАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Живые организмы резко отличаются друг от друга по своим пищевым потребностям. Однако элементарный состав пищи аналогичен и для микробов, и для высших животных, и для растительных организмов. Основными органогенами являются углерод, азот, кислород и водород. Кроме них для нормального развития организмов необходим ряд элементов: Р, S, К, Fe, Са, Mg, Потребность в них невелика, но присутствие их в питательной среде обязательно. Большинство микроорганизмов получают эти элементы из минеральных соединений К2НРО4, MgSO4> FeCh и т.д. Помимо того, для нормальной жизнедеятельности микробов необходимы микроэлементы Zn, Со, Си, Ni и др. Часть из них входит в состав естественного питания микробов, часть усваивается ими из минеральных солей.
Потребность в кислороде и водороде микроорганизмы удовлетворяют за счет воды и воздуха, кроме того, эти элементы входят в состав всех органических питательных веществ. Что касается углерода и азота, то по отношению к ним требования различных микробов крайне разнообразны и специфичны.
В зависимости от используемых источников углерода микроорганизмы делятся на две группы: автотрофов и гетеротрофов.
Автотрофы (от греч. autos — сам, trophe — пища) способны в качестве единственного источника углерода использовать углекислоту или карбонаты и из этих простых неорганических соединений синтезировать сложные биополимеры своего тела. Среди автотрофов большинство составляют водоросли и цианобактерии. К автотрофному образу жизни способны также некоторые виды бактерий и окрашенных жгутиковых.
Гетеротрофы (от греч. heteros — другой) нуждаются в органических соединениях углерода. В свою очередь гетеротрофный микроорганизмы подразделяются на сапрофитов (от греч. sapros — гнилой, phyton — растение) и паразитов.
Сапрофиты питаются мертвой органикой. Число органических соединений, используемых ими в качестве источников углерода, чрезвычайно велико — это углеводы, спирты, органические кислоты, аминокислоты и т.д. Практически любое природное соединение может быть использовано тем или иным видом микроорганизмов в качестве источника питания или энергии. Некоторые сапрофиты спо* собны усваивать разнообразные вещества, другие используют углерод только совершенно определенных соединений. Например, клетчатка служит единственным источником углерода для целлюлозных бактерий, а углеводороды — для бактерий, населяющих нефтяные залежи.
Паразиты развиваются в живых организмах, питаясь органическими веществами, выходящими в состав тела хозяина. Паразиты нарушают равновесие биохимических процессов в организме, т.е. вызывают его заболевание. Микробов, ведущих паразитический образ жизни, называют болезнетворными иж патогенными. Некоторые из патогенных микроорганизмов в зависимости от условий могут существовать либо как паразиты, либо как сапрофиты. Их называют условными или факультативными паразитами. К их числу относятся возбудители многих кишечных инфекций. Другие, например вирусы, могут развиваться только в живых клетках — это строгие, или облигатные, паразиты.
* Некоторые виды микроорганизмов способны переключаться с автотрофного типа питания на гетеротрофный, и наоборот. Например, эвглена зеленая питается на свету как растение, т.е. ведет автотрофный образ жизни, а в темноте начинает интенсивно поглощать органические вещества, т.е. существует как гетеротрофный организм.
Азот — элемент, входящий в состав белков. По отношению к источникам азотного питания среди микроорганизмов также можно выделить автоаминотрофы и ге- тероаминотрофы.
Первые способны использовать азот неорганический (аммонийный, нитратный, молекулярный) или простейшие формы органического азота (мочевина) и из этих соединений строить разнообразнейшие белки своего тела. При этом все формы азота сначала переводятся в ам-
монийную. Эта наиболее восстановленная форма азота легко трансформируется в аминогруппу.
Гетероаминотрофы нуждаются в органических формах азота — белках и аминокислотах. Некоторым из них требуется полный набор аминокислот, другие способны из одной-двух аминокислот путем их преобразования создавать необходимые белковые соединения.
Многие гетеротрофные по отношению к углероду микроорганизмы являются автоаминотрофами. К ним относятся и бактерии, участвующие в очистке сточных вод.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ У МИКРООРГАНИЗМОВ
Микроорганизмы, способные использовать энергию солнечного света, называются фототрофами. Микроорганизмы, потребляющие энергию химических реакций, называются хе- мотрофами. К первым относятся водоросли, окрашенные формы жгутиковых, цианобактерии, зеленые и пурпурные серобактерии. Вторую группу составляют простейшие, грибы и подавляющее большинство бактерий. Незначительная часть бактерий, относящихся к этой группе, использует энергию окисления неорганических соединений. Остальные микроорганизмы окисляют органические вещества.
МИКРО'МИКРО'ВОТОТРОВЫВОТОТРОВЫХЕМОТРОФЫХЕМОТРОФЫПринимая во внимание деление микроорганизмов по типу питания (авто- и гетеротрофы) и по способу получения энергии (фото- и хемотрофы), возможные сочетания вариантов конструктивного и энергетического обменов можно представить следующей схемой:
МИКРО'
МИКРО'
ВОТОТРОВЫ
ВОТОТРОВЫ
ХЕМОТРОФЫ
ХЕМОТРОФЫ
вотоавтотрофы (водоросли, ЦИАНОБАКТЕРИИ. БОЛЬШИНСТВО пурпурных и земныхсеро4*кзн>ий|
ХЕМОДВТОТРОВЫ <КМТРИ*ИЦИР¥ЮВ|НЕ
бактерии. Бесцветные
СЕРОБАКТЕРИИ, ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИИ!
ВОГОГЕТЕРОТРОВЫ (НЕКОТОРЫЕ ЦИАНОБАКТЕРИИ. НЕКОТОРЫЕ ПУРПУРНЫЕ и зеленые серобактерии!
ХЕМОГЕТЕРОТРОВЫ (БОЛЬШИНСТВО
БАКТЕРИЙ, ПРОСТЕЙШИЕ, ГРИБЫ!
Микроорганизмы каждой из указанных подгрупп, в свою очередь, отличаются по характеру доноров и конечных акцепторов электронов (водорода). Рассмотрим сущность обмена важнейших подгрупп микроорганизмов.
Фотоавтотрофы.* Процесс образования АТФ у фотоавтотрофов сопряжен с использованием энергии солнечного света и называется фотосинтетическим фосфорилированием*
Водоросли и цианобактерии, подобно зеленым растениям, синтезируют клеточное вещество, ассимилируя СО2 и используя в качестве донора водорода воду. В ходе процесса выделяется кислород:
энергия АТФ
СО2 + Н2О СН2О + 02.
ферменты
Зеленые и пурпурные серобактерии в процессе жизнедеятельности используют в качестве донора водорода не воду, а сероводород:
энергия АТФ
С02 + 2H2S СН2О + Н20 + 2S.
ферменты
Такой тип фотосинтеза получил название фоторедукции* Основное отличие бактериальной фоторедукции от фотосинтеза зеленых растений заключается в том, что донором водорода является не вода, а другие соединения и что фоторедукция не сопровождается выделением кислорода.
Фоторедуцирующие бактерии развиваются в освещенных загрязненных водоемах, где в результате разложения органических веществ в изобилии образуется сероводород. Используя H2S в процессе фоторедукции, эти бактерии играют важную роль в уничтожении неприятных запахов (дезодорации).
Хемоавтотрофы. Явление усвоения углекислоты без участия света при сопряженном использовании энергии окисления неорганических соединений было открыто С.Н. Виноградским в конце XIX в. В природных и сточных водах из этой группы микроорганизмов наиболее распространены следующие.
Нитрифицирующие бактерии, получающие энергию за счет окисления аммиака в нитриты и нитраты.
Процесс протекает в две стадии:
первую стадию ведут бактерии рода Nitrosomonas
2NH3 + ЗО2 — 2HNOz + 2Н2О + 557 кДж; (4) вторая стадия осуществляется при участии бактерий рода Nitrobacter
2HNO2 + О2 ~* 2HNO3 + 146 кДж.(5)
Эффективностьиспользованияэнергии
нитрифицирующими бактериями очень невелика и составляет 5% для реакции (4) и 7% для реакции (5). Вследствие этого для усвоения 1 моля углекислоты им необходимо окислить соответственно 35 молей аммиака и 101 моль азотной кислоты.
Нитрифицирующие бактерии широко распространены в природе. Они участвуют в круговороте азота, их деятельность обеспечивает почве плодородие. В последние годы нитрификация нашла применение в качестве одной из стадий процесса глубокой очистки сточных вод от соединений азота.
Железобактерии получают энергию в ' результате окисления солей закисного железа:
4РеСОз + О2 + 6Н2О -*- 4Ре(ОН)з + 4СО2 +
+167 кДж.
Процесс синтеза 1 г клеточного вещества сопровождается образованием примерно 500 г гидроксида железа. С деятельностью железобактерий связывают образование болотных руд на дне водоемов.
Бесцветные серобактерии, к числу которых относятся широко распространенные в сточных и загрязненных водах бактерии рода Beggiatoa, в качестве источников энергии используют реакции окисления сероводорода и серы:
2Н28 + О2 — 2Н2О + 2S + 272 кДж;(6)
2S + ЗО2 + 2Н2О — 2H2SO4 + 992 кДж.(7)
Если в среде достаточно сероводорода, эти бактерии проводят реакцию (6), откладывая серу в клетках в виде запасного вещества. При недостатке H2S протекает реакция (7).
Хемогетеротрофы. К этой подгруппе относится огромное число организмов, получающих энергию в результате биологического окисления сложных органических веществ — доноров водорода в окислительно-восстановительных реакциях энергетического обмена.
Биологическое окисление органических веществ микроорганизмами представляет собой сложные процессы двух типов: дыхание и брожение.
УГЛЕВОДЫУГЛЕВОДЫглюкозидазыглюкозидазы
УГЛЕВОДЫ
УГЛЕВОДЫ
глюкозидазы
глюкозидазы
1^*1* НАД -*надн2*фад-*надАДФ * Н5РОЧI
% Оg -*J цитохромы -*—2р**-ФАДН^** 2Н
1 ГI
АТФАТФ А1фf
ФАД
о?гн.го
Рис. 14. Схема окисления углеводов в процессе дыхания
Дыхание называется аэробным» если роль конечного акцептора водорода выполняет только свободный кислород. Микроорганизмы, осуществляющие этот процесс, называются облигатными аэробами.
В качестве источников энергии (доноров водорода) хемогетеротрофы в процессе дыхания могут использовать большой набор окисляемых органических соединений: углеводы, жиры, белки, спирты, органические кислоты и т.д. Суммарно процесс дыхания при окислении углеводов выражается следующим уравнением:
С6Н120б + 6Н2О — 6СО2 + 6Н2О + 2820 кДж.
На самом деле это сложный многостадийный процесс, включающий ряд последовательных ферментативных реакций. Обратимся к схеме, приведенной на рис. 14. Процесс превращения углеводов начинается с их гидролиза, в результате которого образуются простые сахара (глюкоза). У бактерий этот процесс происходит вне клетки. На следующем этапе, включающем несколько стадий, глюкоза
превращается в пировиноградную кислоту (ПВК). Окисление глюкозы на этом этапе происходит без участия кислорода путем дегидрирования с НАД и сопровождается образованием двух молекул АТФ на каждый 1 моль глюкозы. В клетках аэробов ПВК может быть окислена полностью в результате ряда последовательных реакций. Совокупность этих превращений составляет цикл, именуемый циклом Кребса. ПВК включается в цикл через промежуточное соединение ацетилкоэнзим А, образование которого происходит в результате реакции ПВК с ферментом, носящим названием коэнзим A (HSKoA):
СНзСОСООН + HSKoA ^2^ CH3CO~SKoA + + НАД Н2 + СО2.
Последовательно протекающие реакции цикла: гидролиз, дегидрирование, дегидратация, декарбоксилирование — приводят к полному окислению ацетилкоэнзима А и регенерации фермента HSKoA.
Водород, отнятый дегидрогеназами в цикле, передается в дыхательную цепь ферментов, которая у аэробов включает ФАД, систему цитохромов и конечный акцептор водорода кислород. Передача водорода по этой цепи сопровождается образованием АТФ. При этом на каждые два атома водорода синтезируются три молекулы АТФ. Образование АТФ одновременно с процессом переноса протона и электрона по дыхательной цепи ферментов называется окислительным фосфорилированием. Суммарно при полном окислении моля глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Из них 24 при окислении ПВК в цикле Кребса с передачей водорода в дыхательную цепь ферментов. Таким образом, основное количество энергии запасается именно на этой стадии. Замечательно то, что цикл Кребса универсален. Такой типа окисления характерен и для простейших, и для бактерий, и для клеток высших животных и растений.
Промежуточные соединения цикла частично используются для синтеза клеточного вещества.
Источником энергии для микробов могут служить и жиры. Гидролиз жиров приводит к образованию глицерина и высших жирных кислот, дальнейшие пути превращения которых различны. Ферментативное окисление глицерина приводит к образованию ПВК и последующему окислению ее в цикле Кребса. Превращение жирных кислот носит сложный многоступенчатый характер и заключается в пос-
тепенном отщеплении двух углеродных атомов при участии HSKoA. Единственным продуктом этого распада является ацетилкоэнзим А, который вступает затем в цикл Кребса.
Характерная особенность процессов энергетического обмена заключается в ступенчатом использовании энергии питательных веществ. Если бы в клетке окисление глюкозы или других соединений происходило в одну стадию, то одновременное выделение более 2000 кДж энергии, большая часть которой не может быть усвоена клеткой и превращается в тепловую энергию, привело бы к резкому повышению температуры и гибели организма. Именно поэтому многоступенчатое использование энергии питательных веществ принципиально необходимо для жизнедеятельности микроорганизмов.
Окисление питательных веществ не всегда протекает до конца. Некоторые аэробы окисляют органические соединения частично, при этом в среде накапливаются промежуточные продукты окисления.
Полагают, что, используя для получения энергии такие соединения, как спирты, углеводородь/, органические кислоты и т.д., микроорганизмы преобразуют эти вещества и на определенном этапе включают их в обменный цикл углеводов и жиров. Например, при использовании углеводородов бактериями рода Pseudomonas молекула углеводорода подвергается последовательно окислению молекулярным кислородом, дегидрированию, гидролизу. Образовавшиеся в результате жирные кислоты включаются в рассмотренный выше цикл превращений.
Если микроорганизмы лишены источников питания, они некоторое время могут существовать за счет внутриклеточных запасов, в основном полисахаридов и жиров. Эндогенное дыхание за счет этих веществ протекает по тому же пути, что и окисление экзогенных источников энергии. Когда запасы питательных веществ исчерпаны, начинается окисление клеточных белков.
Некоторые микроорганизмы в процессе дыхания могут использовать в качестве конечного акцептора водорода не кислород, а окисленные соединения азота (нитриты, нитраты), серы (сульфаты), углерода (СО2). Такой процесс дыхания называется анаэробным.
Использование нитратов в процессе дыхания присуще многим видам денитрифицирующих бактерий. Пути превращения веществ в процессе нитратного дыхания те же,
что и при аэробном дыхании. Денитрификаторы имеют два ферментные системы, одна из которых позволяет им в присутствии кислорода осуществлять процесс аэробного дыхания. Вторая ферментная система имеет ту же самую цепь переноса водорода, как и первая, с той лишь разницей, что в цитохромной системе вместо цитохро- моксидазы присутствует фермент нитратредуктаза. Микроорганизмы, способные развиваться как в присутствии кислорода, так и без него, называются факультативными анаэробами. В общем виде процесс анаэробного дыхания за счет нитратов может быть записан так:
(органическое вещество — донор водорода) + 2МОз -* N2 + 6Н2О.
Денитрификация в природе является одной из стадий круговорота азота. На очистных сооружениях канализации этот процесс в сочетании с нитрификацией применяется для полного удаления соединений азота из сточных вод.
Микроорганизмы, использующие в процессе дыхания сульфаты и диоксид углерода, называются строгими анаэробами. Кислород и другие окислители являются для них ядом. При использовании сульфатов в качестве конечного акцептора водорода микроорганизмы восстанавливают их до сульфидов:
(органическое вещество — донор водорода) + SO4 —* H2S + 4Н2О.
Анаэробное дыхание с использованием диоксида углерода сопровождается образованием метана:
(органическое вещество — донор водорода) + СОг —* СН4 + 2Н2О.
Анаэробный процесс биологического окисления органических веществ, при котором акцептор водорода (также органическое вещество) образуется в ходе распада окисляемого субстрата, называется брожением*
Процессы брожения осуществляются многими видами бактерий и дрожжей. Существует несколько типов брожений, названия которым даются по конечному продукту: спиртовое — дрожжами, пропионовокислое — пропионовокислыми бактериями, метановое — метанообразующими бактериями. Сбраживанию подвергаются в основном углеводы, но многие бактерии способны сбраживать самые разнообразные соединения: органические кислоты, аминокислоты, пурины и т.д.
В отличие от аэробов анаэробы, осуществляющие процесс брожения, не имеют полной цепи ферментов переноса водорода, поэтому не могут использовать кислород в качестве конечного акцептора водорода. Перенос водорода при брожении осуществляется по схеме:
(органическое вещество — донор водорода ) + НАД -* (окисленное органическое вещество) + НАД Hz;(8)
НАД Нг + (органическое вещество — акцептор водорода) НАД + + (восстановленное органическое вещество).(9)
В результате брожения в среде накапливаются вещества, степень окисления углерода в которых может быть как выше, так и ниже, чем в исходном субстрате. Однако средняя степень окисления углерода остается такой же, как у субстрата. Например, при спиртовом брожении глюкозы
СбН120б — 2СОг + С2Н5ОН
образуются две молекулы СО2 (степень окисления углерода + 4) и две молекулы спирта (степень окисления углерода — 2). Средняя степень окисления углерода в продуктах брожения составляет: 2(+4)+2[2(—2)] • 0, т.е. равна степени окисления углерода в исходной молекуле глюкозы.
Процесс окисления углеводов при дыхании и брожении протекает совершенно одинаково вплоть до образования ПВК. Конечным продуктом этого этапа кроме ПВК является и восстановленная дегидрогеназа НАД Нг [см. реакцию (8) ]. Регенерация фермента протекает в результате окислительно-восстановительной реакции (9) с участием ПВК или продуктов, образованных из нее. Эти реакции дальнейшего превращения ПВК значительно варьируют у разных микроорганизмов и приводят к образованию различных конечных продуктов брожения: спиртов, кислот, ацетона, газов брожения СОг, Нг, СН4. Например, при спиртовом брожении сначала протекает реакция образования из ПВК уксусного альдегида:
СНзСОСООН ^Р40"1 ». СН3СНО + СО2;
затем уксусный альдегид реагирует с НАД Нг:
СНзСНО + НАД Н2 — СН3СН2ОН + НАД.
При молочнокислом брожении превращение ПВК протекает по следующей реакции:
СНзСОСООН + НАД Нг-* СНзСНОНСООН + НАД.
И в том, и в другом случае конечный акцептор водорода образован при распаде исходной молекулы глюкозы.
Количество энергии, которое микроорганизм может получить в результате брожения, невелико, так как полного окисления не происходит и часть энергии остается в конечных продуктах брожения. Энергия запасается в виде АТФ только на стадии окисления глюкозы по ПВК. Если полное окисление глюкозы в процессе дыхания сопряжено с образованием 38 молекул АТФ, то в ходе брожения образуются только две молекулы АТФ.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ
Рост микробиальной клетки — это увеличение размера и веса одной особи между двумя делениями. Обычно под ростом подразумевается рост не только отдельной клетки, но и культуры микроорганизмов, т.е. общее увеличение числа клеток.
Рост культуры во времени подчиняется определенной закономерности. Для выявления этой закономерности клетки какого-либо вида помещают в жидкую питательную среду и через определенные интервалы времени ведут подсчет живых микробов. Результаты выражают в виде зависимости логарифма числа клеток от времени. На протяжении всего опыта питательные вещества в среду не добавляются, продукты обмена клеток не удаляются. Такая культура носит называние статической.
В общем виде рост статической культуры во времени описывается кривой 1 (рис. 15). На этой кривой можно выделить несколько участков (фаз развития), каждый из которых характеризуется индивидуальными условиями существования культуры. Клеткам в каждой фазе присущи своя скорость размножения, размеры и биохимическая активность. Кривая 2 характеризует процесс потребления клетками субстрата.
Фаза I — фаза задержки роста — носит название лаг- фазы (от англ. — отставание). В этот период клетки привыкают к новой среде. Скорость деления в начале фазы равна нулю, но к концу достигает максимально возможной для данного вида микроорганизмов величины.
Фаза II — фаза логарифмического роста. В этот период клетки делятся с максимальной постоянной скоростью. Количество питательных веществ еще не ограничено.
Рис. 15. Кривая роста статической культуры
Клетки мелкие, большинство из них молодые и биологически активные, обладают наиболее ярко выраженными видовыми признаками. Скорость размножения в этой фазе характеризуется временем между двумя последовательными делениями клетки (продолжительность генерации). Если считать, что отрезок времени / произошло л генераций, то продолжительность генерации т можно выразить как
(10)(10)^= tin.
(10)
(10)
Если в начале опыта число клеток равнялось Со, а за время t через п генераций — Ct» то
Ct = Со2" '"(11)
Из выражения (11) легко подсчитать число генераций
ig Gt- igC0n .
ig2
Подставляя значение n в выражение (10), находим продолжительность генерации т . Продолжительность генерации для некоторых видов составляет 20—30 мин, а для других может составлять сутки.
Фаза /// — замедления роста. Интенсивность деления клеток падает, так как изменяются условия существования культуры: истощаются запасы питательных веществ, в среде накапливаются ядовитые продукты обмена. Погибает все больше особей.
Фаза IV — фаза стационарного роста. В течение этой фазы численность живых клеток остается постоянной. Число вновь образующихся клеток равно числу погибающих.
Фаза V — фаза отмирания. Условия становятся все более неблагоприятными, число погибающих клеток непрерывно возрастает, так как в среде к началу этой фазы не остается питательных веществ, и микроорганизмы используют внутриклеточные вещества. Эту фазу называют также фазой эндогенного дыхания.
Длительность отдельных фаз зависит от условий внешней среды (температура, pH, концентрация питательных веществ) и может колебаться в значительных пределах у различных микроорганизмов.
Рассмотренные закономерности роста и развития чистой культуры оказались справедливыми и для активного ила, хотя он представляет собой сложное сообщество микроорганизмов.
МИКРООРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Различные виды организмов развиваются не изолированно, а образуют сложные сообщества — биоценозы, представляющие собой организованные системы с разнообразными типами взаимоотношений между представителями отдельных видов.
Симбиотические отношения приносят взаимную выгоду симбионтам. Совместный рост таких организмов протекает лучше, чем развитие их по отдельности. Примером симбиотических взаимоотношений является симбиоз зеленых водорослей и инфузорий. Водоросль, поселяясь внутри тела инфузории, использует энергию света для превращения СО2 в органические вещества, выделяя при этом кислород. Инфузория потребляет кислород для окисления органических веществ в процессе дыхания, образуя в итоге СО2.
Широко распространенным типом взаимоотношений является метабиоз, при котором жизнедеятельность одних микроорганизмов создает условия для развития других. Ме- табиотические взаимоотношения обусловливают последовательность превращений одних веществ в другие и лежат в основе круговорота веществ в природе. Примером таких взаимоотношений могут служить сообщество факультативных и облигатных анаэробов, осуществляющих процесс брожения осадков сточных вод в метантенках, а также нитрифицирующие бактерии родов Nitrosomonas и Nitrobacter.
Антагонистические взаимоотношения между микроорганизмами очень разнообразны. Это и хищничество (пожирание бактёрий простейшими), и паразитизм (уничтожение бактерий бактериофагами), и выделение в среду продуктов обмена, снижающих жизнедеятельность других организмов или убивающих их. Например, конечный продукт обмена молочнокислых бактерий — молочная кислота — препятствует развитию гнилостных бактерий. Некоторые виды грибов и актиномицетов выделяют в среду биологически активные вещества — антибиотики, обладающие бактерицидным действием.
Антагонизм в микромире является одним их важнейших факторов, определяющих состав биоценозов.
Состав и характер биоценозов в значительной степени зависит от условий окружающей среды, с которой неразрывно связана жизнь микроорганизмов. С одной стороны, деятельность микробов приводит к значительным изменениям окружающей среды в результате удаления из нее питательных веществ и выделения продуктов обмена; с другой стороны, — интенсивность обменных процессов внутри клетки во многом зависит от условий (факторов) окружающей среды. Факторы окружающей среды, влияющие на деятельность микроорганизмов, подразделяют на физические и химические.
Физические факторы» К важнейшим физическим факторам, обусловливающим активность микроорганизмов, относятся влажность, температура, свет. Для активного роста и развития микробов необходимо наличие в среде воды. Доступной для них формой является вода в капельножидком состоянии. Именно поэтому температурный интервал, в котором возможна жизнь микроорганизмов, ограничен температурами от —2°С (или ниже в средах с высоким осмотическим давлением) до +100°С.
По отношению к температуре микроорганизмы делятся на три группы.
Психрофилы, или холодолюбивые (от греч. psychia — холод, phileo — люблю). Эти микроорганизмы способны развиваться в интервале температур от —2 до +ЗО°С. Оптимальной для них является температура 10— 15°С. К организмам этой группы относятся обитатели северных морей, почв, некоторые микроорганизмы очистных сооружений канализации.
Термофилы, или теплолюбивые (от греч. therme — тепло). Температурный диапазон их развития 30—85°С с оптимумом около 50—60°С. Микроорганизмы этой группы обитают в горячих источниках и в гниющем навозе. Термофильные бактерии участвуют в процессе сбраживания осадков на городских сооружениях канализации.
Мезофилы (от греч. mesos — средний). Эти микроорганизмы развиваются в интервале температур от 5 до 50°С. Оптимальной для них является температура 25— 37°С. К мезофильным микроорганизмам относятся большинство бактерий, простейших грибов. К этой же группе относятся и все патогенные для человека и теплокровных животных организмы.
Способность развиваться при определенной температуре следует отличать от способности переносить ту или иную температуру. Так, многие микроорганизмы при температуре ниже нуля сохраняют жизнеспособность длительное время, но активная их жизнедеятельность при такой температуре приостанавливается. Споры многих бактерий не погибают даже при температуре жидкого водорода (—252°С).
Значительно менее устойчивы микроорганизмы к действию высоких температур. Большинство неспороносных бактерий погибает при температуре 70°С в течение 10— 15 мин, при 100°С в течение 1 мин. Губительное действие высоких температур связано с денатурацией белков.
Большинство микроорганизмов хорошо растет в темноте. Исключение составляют фототрофы, использующие энергию солнечного луча. Прямой солнечный свет губительно действует на микроорганизмы. Микробоцидное (убивающее) действие его обусловлено главным образом ультрафиолетовой частью спектра. Адсорбция ультрафиолетовых лучей белками и нуклеиновыми кислотами клетки приводит к необратимым химическим изменениям. Наиболее чувствительны к действию света вегетативные клетки. Большинство патогенных микробов более чувствительны к ультрафиолетовым лучам, чем сапрофиты. Эти лучи обладают низкой проникающей способностью и действуют в основном на поверхности.
Химические факторы. Концентрация водородных ионов оказывает существенное влияние на развитие микроорганизмов. Большинство бактерий предпочитает среды с pH, близким к нейтральному (6,5—7,5). Однако есть некоторые виды бактерий, хорошо растущих в щелочной или более кислой среде. Благоприятной средой для развития грибов
является среда с pH * 4—6, а актиномицеты лучше растут в щелочной среде.
Отклонение pH от оптимальных значений влечет за собой снижение активности ферментов, изменение проницаемости цитоплазматической мембраны для отдельных ионов и нарушение обменных процессов.
Многие химические соединения обладают антимикробным действием, при этом одни из них только задерживают развитие микробов (микробостатическое действие), другие обладают микробоцидными свойствами. Такие соединения обычно называют ядами. Однако абсолютных ядов не существует, и степень их воздействия на микроорганизмы зависит от концентрации, продолжительности контакта и вида микробов. Многие яды в очень малых концентрациях оказывают даже стимулирующее действие, повышая биохимическую активность микроорганизмов.
Среди неорганических веществ микробоцидным эффектом обладают соли тяжелых металлов, такие окислители, как хлор, озон, бром, йод. Соединения серебра и меди проявляют микро- боцидное действие в ничтожно малых концентрациях. Такое действие называется олигодинамическим (от греч. oligos — малый). Сильными ядами для микробов являются и некоторые органические соединения: фенолы, спирты, формалин и т.д. В то же время многие из этих веществ специфическими группами микроорганизмов могут использоваться в качестве источников углеродного питания. Целый ряд химических соединений — микробных ядов используется для обеззараживания различных материалов. Микробоцидное действие сильных окислителей лежит в основе широко применяемых методов обеззараживания питьевых и сточных вод.
Г л а в а 6. РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
В ПРЕВРАЩЕНИЯХ И КРУГОВОРОТЕ ВЕЩЕСТВ
В биосфере протекает непрерывный процесс созидания и разрушения органического вещества при активном участии микроорганизмов. Совокупность происходящих процессов составляет биологический круговорот, в который вовлечены все химические элементы, входящие в состав живой материи. Особый интерес представляют круговороты основных органогенов — углерода и азота. Биохимические
процессы разложения органических веществ, осуществляемые микроорганизмами в природных условиях, лежат в основе биологических методов очистки сточных вод.
Естественные циклы превращений углерода и азота в значительной мере нарушаются в результате хозяйственной деятельности человека. Так, атмосфера обогащается диоксидом углерода, образующимся при сжигании различных видов топлива; атмосферный азот используется в промышленности для получения аммиака и азотной кислоты.
КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА
Схема естественного цикла углерода представлена на рис. 16. Биологический круговорот углерода начинается с фиксации СО2 из атмосферы зелеными растениями, микроскопическими водорослями, цианобактериями в процессе фотосинтеза и превращения его в сложные компоненты клетки — углеводы, жиры, белки. Эти биополимеры растительного происхождения частично служат пищей разнообразным животным, частично отмирают, образуя вместе с отмершими животными и их метаболидами мертвое органическое вещество.
В процессе дыхания фотосинтезирующих организмов и животных углерод в виде СО2 возвращается в атмосферу.
Наиболее важный этап деятельности микроорганизмов связан с разложением ими мертвого органического вещества. Главенствующую роль в этих процессах играют бактерии и грибы. Окисление органических веществ может осуществляться в аэробных и анаэробных условиях. Рассмотрим основные варианты превращения безазотистых компонентов клеточного вещества отмерших растений и животных.
Углеводы.. Остатки отмерших растений и продукты обмена животных организмов содержат сложные полисахариды, важнейшим из которых является клетчатка или целлюлоза. Целлюлоза — основа всех растений, совершенно не усваивается животными, но разрушается под действием специфических видов грибов и бактерий, обладающих гидролитическими ферментами целлюлазой и целлобиазой. Процесс двухстадийного ферментативного гидролиза клетчатки приводит к образованию глюкозы:
2(СбНюО5)п + пН2О -^^^ ИС12Н22О11;
С12Н22О11 + Н2О
целлобиаза
2СбН120б.
Рис* 16. Схема биологического круговорота углерода
I — ассимиляция СО2 фотосинтезирующими организмами; II — поедание растений животными; III — отмирание растений и животных; IV — разложение мертвого органического вещества микроорганизмами
В аэробных условиях клетчатку активно используют грибы родов Aspergillus, Penicillium и др., бактерии родов Cytophaga, Cellvibrio.
Некоторые виды бактерий, в частности псевдомонады, широко распространенные в природе и на очистных сооружениях систем водоотведения, в отсутствии других источников углерода также способны окислять целлюлозу.
Образовавшаяся в результате гидролиза клетчатки глюкоза окисляется всеми перечисленными микроорганизмами в процессе аэробного дыхания до СО2 и Н2О (см. 16). СО2 возвращается в атмосферу.
Другие компоненты растительных осадков, такие, как гемицеллюлозы и пектиновые вещества, под действием ферментов смешанных культур бактерий и грибов также превращаются в глюкозу, которая используется многими видами микроорганизмов. Окисление глюкозы не обязательно идет до конца, и в среде могут накапливаться промежуточные метаболиты цикла Кребса (янтарная, яблочная, лимонная и другие кислоты). Аэробное окисление растительных остатков в природе приводит к образованию гумуса.
В анаэробных условиях клетчатка окисляется, как правило, смешанными культурами бактерий. Активными деструкторами целлюлозы в аназообных условиях являются некоторые виды бактерий рода Clostridium. Смешенные культуры бактерий сбраживают полисахариды по типу маслянокислого, молочного, спиртового (см. 16), метанового (см. 49) брожений. В последнем варианте кроме СО2 образуется метан. В природных условиях метан способны использовать метаноокисляющие бактерии, при этом в атмосферу возвращается СОг.
Жиры. Жиры растительных и животных тканей расщепляются микроорганизмами, обладающими липолитическими ферментами класса гидролаз. Ферментативный гидролиз жиров приводит к образованию глицерина и высших жирных кислот (ВЖК):
СзНз(СООЮз + ЗН2О ——3Л- СзН5(ОН)з + 3R—соон. глицерин ВЖК
Гидролиз жиров протекает беспрепятственно как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
Глицерин в ходе сложных ферментативных реакций превращается в ПВК:
СзН5(ОН)з —* СзН7Оз(Н2РОз) —* СзН5Оз(Н2РО3) НАД, АТФ, НЗРО4 НзСОСООН + 4АТФ + 2НАД Н2.
В аэробных условиях ПВК включается в цикл Кребса и окисляется до Н2О и СОг, последний возвращается в атмосферу. В анаэробных условиях ПВК сбраживается по одному из типов брожений, продуктом которых могут быть кислоты, спирты, СОг.
Более сложные превращения претерпевают ВЖК. Последовательность превращений ВЖК называют jS - окислением. Первая стадия состоит в активации молекулы ВЖК с участием АТФ:
Л-СН2-СН2-СН2-СН2СООН + HSKoA ^ R-CH2-CH2- СН2 -СН2-СО~ SKoA.
На последующих стадиях активированная ВЖК подвергается дегидрированию (ФАД), гидролизу, повторному дегидрированию (НАД) и снова взаимодействует с HSKoA:
ФАД, H2O, НАД, HSKoAФАД, H2O, НАД, HSKoA
ФАД, H2O, НАД, HSKoA
ФАД, H2O, НАД, HSKoA
R-CH2-CH2-CH2-CH2-CO -SKoA
^R-CH2-CH2-CO~SKoA + СНзСО-SKoA(12)
Процесс (12) продолжается до тех пор, пока вся молекула ВЖК не превратится в ацетилкоэнзим А (СН3СО ~ SKoA) — единственный продукт ^-окисления ВЖК. Ацетилкоэнзим А в аэробных условиях включается в цикл Кребса. В анаэробных условиях СН3СО SKoA, представляющий собой активированную уксусную кислоту, сбраживается. В любом варианте СО2 возвращается в атмосферу.
Таким образом, из четырех основных этапов биологического цикла углерода микроорганизмы принимают участие в двух: ассимиляции СОг и разложении мертвого органического вещества. Без участия микроорганизмов жизнь на Земле прекратилась бы достаточно быстро из-за скопления остатков животных и растительных организмов.
КРУГОВОРОТ АЗОТА
Биологический круговорот азота показан на рис. 17. Газообразный азот атмосферы, количество которого оценивается в 3 800 000 млрд, т, в силу своей инертности недоступен высшим растениям и животным. В естественный цикл азот вовлекается, главным образом, в результате биологической фиксации его свободноживущими бактериями родов Azotobacter и Clostridium pasterianum, клубеньковыми бактериями — симбионтами высших растений, некоторыми грибами и многими видами цианобактерий. Биологическая фиксация приводит к переводу инертного молекулярного азота в аммонийную форму. Некоторое количество азота вовлекается в естественный круговорот в результате грозовых разрядов и фотохимического окисления.
Растения, потребляя аммонийный или нитратный азот, синтезируют разнообразные растительные белки. Животные, поедая растения, трансформируют растительные белки в животные. Отмершие растения и животные, а также их метаболиты, содержащие белковые соединения, расщепляются микроорганизмами. Процесс разложения азотсодержащих веществ называется аммонификацией, так как сопровождается выделением аммиака.
Аммонификация может протекать в аэробных и анаэробных условиях при участии микроорганизмов, облада-
Рис. 17. Схема биологического круговорота азота
I — биологическая фиксация азота; 7а — атмосферная фиксация азота; II — потребление азотных соединений растениями; III — поедание растений животными; IV — отмирание растений и животных; V — аммонификация; VI — нитрификация; VII — денитрификация
ющих протеолитическими ферментами. Ферментативный гидролиз под действием внеклеточных протеаз приводит к расщеплению сложных белковых молекул сначала до пептидов, а затем до аминокислот.
В аэробных условиях активными аммонификаторами являются псевдомонады, бактерии родов Proteus и Bacillus, грибы рода Aspergillus, многие актиномицеты. Внутриклеточные превращения аминокислот очень разнообразны. Все 20 аминокислот, составляющих разнообразные белки, в клетках аэробов могут быть окислены полностью, так как в процессе дезаминирования (отщепления аммиака) они превращаются в один из промежуточных метаболитов цикла Кребса. Так, пять аминокислот превращаются в ацетилкоэнзим А, пять других — в ПВК, три — в янтарную кислоту, две — в щавелевоуксусную, остальные пять — в о<-кетоглутаровую кислоту. Механизм последнего процесса может быть описан следующей реакцией:
nh2
СН2 - СН2 - CH (СООН) 2 4- НАД + Н2О = NH3 + СН2 -
- СН2 - СО (СООН) 2 + надн2<
Кроме окисления в цикле Кребса аминокислоты участвуют и в других реакциях, необходимых для клетки. Например, в результате гидролитического дезамирования аминокислот могут образовываться оксикислоты:
NHNH22ОНОН
NH
NH
2
2
ОН
ОН
R - СН - СООН + Н2 О = R - CH - СООН + МН3.
В анаэробных условиях аммонификацию осуществляют смешанные культуры бактерий родов Clostridium, Micrococcus и др. Основным вариантом превращения аминокислот в условиях анаэробиоза является реакция Стикленда — сопряженное окисление и восстановление двух аминокислот, одна из которых играет роль окислителя, другая — восстановителя. В результате реакции Стикленда из аминокислот образуются жирные и кетокислоты и выделяется аммиак. Например, взаимодействие валина и глицина протекает по следующей схеме:
Н3Сн3сН3Сн3сннСН - С - СООН + НАД + н2о =СН - С - СООН + НАД + н2о =мн2мн2н3с^^СН - СО - COOH+ Н3СГн3с^^СН - СО - COOH+ Н3СГ
Н3С
н3с
Н3С
н3с
н
н
СН - С - СООН + НАД + н2о =
СН - С - СООН + НАД + н2о =
мн2
мн2
н3с^
^СН - СО - COOH+ Н3СГ
н3с^
^СН - СО - COOH+ Н3СГ
валин
+ МН3 +НАДН2
CH2-NH2COOH + НАД Н2 * NH3 + СНзСООН. глицин
В этой реакции валин играет роль восстановителя, а глицин является окислителем.
Серосодержащие аминокислоты разлагаются в анаэробных условиях с выделением не только аммиака,но и сероводорода и меркаптанов. При брожении других аминокислот в среде накапливаются индол и скатол, которые наряду с сероводородом и меркаптанами обусловливают отвратительный запах, сопровождающий процесс разложения белковых соединений в анаэробных условиях.
К числу важнейших азотсодержащих продуктов обмена животных организмов относится мочевина (карбамид). Аммонификация мочевины осуществляется специфической группой уробактерий, некоторыми грибами и актиномице-
тами. Все перечисленные микроорганизмы имеют фермент уреазу:
уреаза
(NH2)2CO н- Н2О ——*- СО2 + 2NH3.
Образовавшийся в процессе аммонификации аммонийный азот может служить источником азотного питания для растений и микроорганизмов или окисляться в процессе нитрификации до нитритов и нитратов. Последние также являются источником азота для растений. Сущность процесса нитрификации описывается реакциями (4) и (5) (см. 16).
Завершает круговорот азота процесс денитрификации, осуществляемый бактериями-денитрификаторами. К числу активных денитрификаторов относятся многие виды бактерий родов Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Proteus, Alcaligenes. Этот процесс протекает в анаэробных условиях и в общем виде описывается следующими реакциями:
4АН2 + 2NO2 — N2 + 4Н2О + 4А;
6АН2 + 2NO3 — N2 + 6Н2О + 6А,
где ЛН2 — органическое вещество — донор водорода, в качестве которого денитрификаторы способны использовать широкий набор органических соединений: углеводы, спирты, органические кислоты и т.д.
В результате процесса денитрификации азот возвращается в атмосферу. Из семи этапов биологического круговорота азота четыре происходят с участием микроорганизмов, что свидетельствует об их важной роли в жизни Земли.
Вопросы для самоконтроля
Перечислите отличительные признаки микроорганизмов и поясните их значение.
Основу строения клеток всех живых организмов составляют .... Закончите ответ.
Почему большинство микроорганизмов не могут быть отнесены к животному или растительному миру?
Что означает термин "протисты’*?
В чем принципиальные различия в строении клеток прокариот и эукариот?
Перечислите органеллы, присущие клеткам как высших, так и низших протистов.
Синтез белка осуществляется: в митохондриях, цитоплазматической мембране, ядре, рибосомах, комплексе Гольджи. Выберите правильный ответ.
Разделите все известные вам микроорганизмы на две группы в зависимости от строения ядерного аппарата.
Носителем наследственной информации в клетке является ... Закончите ответ.
Митохондрии — органеллы, в которых происходит синтез белка, энергетические процессы, накапливание продуктов обмена. Выберите правильный ответ.
Среди микроорганизмов самыми высокоорганизованными являются простейшие класса... Более высокий уровень организации их клеток проявляется в наличии ... Закончите ответ.
Поясните сущность процесса спорообразования у бактерий. У каких микроорганизмов возможен аналогичный по сути процесс? Как он называется?
Светочувствительные пигменты присущи клеткам ... Перечислите группы микроорганизмов, скажите, как называются органеллы, в которых сосредоточены светочувствительные пигменты.
Какие микроорганизмы обладают признаками грибов и бактерий?
Чем отличается процесс спорообразования у грибов и бактерий?
Какие микроорганизмы не имеют клеточного строения? В чем состоит их жизненный цикл?
Какие функции выполняют ферменты в клетке?
Активной частью фермента является ... Для первичных дегидрогеназ им является ... Дополните ответ.
Рассмотрите две реакции:
СНЗСНО + НАД Н2 ~* СНЗСН2ОН + НАД;(1)
СНЗСОСООН + НАД + HSKoA - - СНЗСО -^ SKoA +
+НАД Н2 + СО2>(2)
разберите, какие вещества являются донорами водорода, какие — его акцепторами в каждой реакции. Как называется связь, обозначенная волнистой линией?
Гидролазы катализируют реакции гидролиза. Оксидоредуктазы катализируют ... Закончите ответ.
Дайте характеристику ферментов, относящихся к классу оксидоредуктаз.
Энергию какого химического соединения используют все живые организмы для внутриклеточных процессов?
Для чего клетке нужны азот и фосфор?
В чем отличия автотрофов от гетеротрофов, фототрофов от хемотро- фов, сапрофитов от паразитов?
Как называются микроорганизмы, использующие энергию химических реакций и потребляющие СОг в качестве источника углерода? Приведите примеры.
Поясните сущность процесса дыхания.
Расскажите об особенностях процесса брожения.
На примере окисления глюкозы в процессе дыхания и спиртового брожения покажите, в каком из процессов выделяется больше энергии и почему.
Почему в клетках всех живых организмов окисление питательных веществ происходит постепенно, в несколько этапов?
В чем проявляется взаимосвязь конструктивного и энергетического обменов?
Дайте определения биоценозу, поясните от чего зависит его состав.
Какой тип взаимоотношений характерен для бактерий и простейших?
В каком температурном интервале способны жить микроорганизмы? Чем объясняются его нижняя и верхняя границы?
Какая температура называется оптимальной? Чем объясняется различие в температурном оптимуме для разных микроорганизмов?
Как нызываются микроорганизмы, относящиеся к различным температурным группам?
Чем объясняется неблагоприятное воздействие низких и высоких значений pH на микроорганизмы?
Что такое микробные яды?
Оцените роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе. Возможна ли жизнь без микроорганизмов?
Какой тип взаимоотношений между микроорганизмами является определяющим в круговороте веществ в природе?
РАЗДЕЛ 3. СОСТАВ ПРИРОДНЫХИ СТОЧНЫХ вод
Глава?. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРИМЕСЯХИ КАЧЕСТВЕ ВОДЫ РАЗЛИЧНОГОПРОИСХОЖДЕНИЯ
Под качеством воды понимают совокупность ее свойств, обусловленных характером и концентрацией содержащихся в воде примесей.
При оценке качества воды существенную роль играет не только природа примесей, но и их физико-химическое состояние.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ ВОДЫ ПО ИХФАЗОВО-ДИСПЕРСНОМУ СОСТОЯНИЮ
Классификация, предложенная акад. Л.А. Кульским, основана на различии физико-химического состояния примесей воды, в значительной мере определяемого дисперсностью веществ. Этот принцип позволил разделить все многообразные примеси природных и сточных вод, различающиеся по химическим и физическим характеристикам, на четыре группы.
Первая группа примесей с частицами размером 10"1— 10'5 см (степень дисперсности 10—105 см"4) представлена взвешенными в воде частицами, образующими суспензии и эмульсии. К этой группе отнесены также различные организмы планктона, в том числе бактерии.
Вторую группу примесей с частицами размером Ю’5— 10“6 см составляют коллоидно растворенные примеси и высокомолекулярные органические вещества.
К третьей группе примесей, размер частиц которых составляет 10"6—10“7 см, отнесены молекулярно растворенные вещества, вирусы и бактериофаги, а также растворенные в воде газы — кислород, диоксид углерода и т.д.
Четвертую группу примесей с частицами размером менее 10*7 см составляют вещества, диссоциирующие в воде на ионы.
Примеси первой и второй групп образуют с водой гетерогенные, а третьей и четвертой групп — гомогенные системы.
Примеси каждой группы обладают специфическими особенностями, поэтому для их удаления необходимы вполне определенные технологические приемы. При очистке воды по мере необходимости можно переводить загрязняющие вещества из одного фазово-дисперсного состояния в другое.
ПОНЯТИЕ ОБ АНАЛИЗЕ ВОДЫ
Для определения качества питьевых, природных и сточных вод требуется проведение большого количества разнотипных анализов — химических, физико-химических, санитарно-бактериологических. Набор столь разнохарактерных определений обусловлен сложностью состава примесей воды и большим разнообразием целей, для которых выполняется анализ.
Многие показатели, такие, как окисляемость, сухой остаток, прозрачность и т.д., характеризуют наличие в воде примесей, различных и по своей природе, и по степени дисперсности. Другие показатели оценивают содержание в воде индивидуальных веществ. При оценке питьевых, природных и сточных вод есть показатели, общие для всех категорий воды, но есть и специфические, необходимые для характеристики той или иной воды.
Основными задачами, решаемыми на основе анализов, являются:
оценка санитарно-токсикологического состояния воды;
определение пригодности воды для конкретного вида потребления;
определение степени и характера загрязненности воды;
выявление возможности применения тех или иных методов очистки воды;
управление процессами очистки воды и контроль работы сооружений;
оценка эффективности работы отдельных водоочистных сооружений и всей станции в целом и т.п.
В зависимости от поставленной цели для анализа отбирают разовые или средние за определенный промежуток времени (смена, сутки) пробы. Результаты анализа выражают в мг/л, а для некоторых показателей в мг-экв/л.
Глава8. СОСТАВ И ПОКАЗАТЕЛИКАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
Общее количество воды на Земле очень велико и составляет около 1,45 млрд, км3* Большая часть воды — 1,37 млрд, км3 — сосредоточена в Мировом океане, 60 млн. км3 приходится на долю подземных вод, 280 тыс. км3 — на долю озер, 1,2 тыс. км3 — на долю рек, 24 млн. км3 заключено в ледниках. Остальную воду
составляют почвенная влага и пары атмосферы.
С водой неразрывно связана жизнь биосферы, человек использует ее для удовлетворения физиологических потребностей, для хозяйственных целей. Огромное количество воды потребляется для нужд сельского хозяйства и промышленности. Однако не вся вода пригодна для использования человеком. Для большинства видов потребления необходима пресная вода, а ее запасы составляют менее 3% общего количества воды на Земле. Неравномерное рас
пределение запасов пресной воды на планете и постоянный рост водопотребления — основные причины, вызывающие острый дефицит воды в ряде регионов. В связи с этим
рациональное использование и охрана водных ресурсов приобрели в последнее время первостепенное значение.
ФОРМИРОВАНИЕ СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ВОД
В качестве источников водоснабжения используются пресные водоемы, как подземные, так и поверхностные. К подземным относятся грунтовые, межпластовые, артезианские, карстовые воды, состав которых определяется условиями их образования. Так, состав грунтовых вод зависит от возможностей питания их атмосферными осадками, от характера почв и подстилающих пород, с которыми контактирует вода, от санитарного состояния вышележащих водоносных горизонтов. В формировании состава артезианских вод решающее значение имеют глубинные геологические структуры. Химический состав подземных вод формируется в результате таких процессов, как выщелачивание горных пород, растворение, сорбция, ионный обмен и т.д. Защищенность артезианских водоносных пластов обеспечивает постоянство состава воды и почти полное отсутствие в них микроорганизмов.
Отличительной особенностью поверхностных природных вод является непостоянство их состава по сезонам года. На процесс формирования состава воды поверхностных водоемов влияет множество факторов.
Важнейшие из них — взаимодействие атмосферных осадков, попадающих в водоисточник, с загрязненным воздухом и почвенным покровом; биологические процессы в водоеме с участием гидробионтов и деятельность человека (регулирование речного стока, ирригация, судоходство, сброс сточных вод и т.д.).
В природных водах обнаружено более половины известных химических элементов. По своей природе примеси воды подразделяются на минеральные и органические, находящиеся в воде во взвешенном, коллоидном и истинно растворенном состоянии.
Для подземных источников водоснабжения характерно небольшое содержание или отсутствие органических примесей, повышенная минерализация, иногда присутствие газов (СО2, H2S, СН4).
Среди поверхностных источников водоснабжения различают водоемы с малой минерализацией: содержание солей до 200 мг/л, средней — 200—500 мг/л и повышенной — 500—1000 мг/л. Около 9 0% общего солесодержания приходится на главные ионы: Na+, Са , Mg , К+ и НСОз, SO4I СГ. По классификации О.А. Алехина природные воды в зависимости от преобладающего аниона подразделяются на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и хлоридные. Внутри класса выделяются группы с преобладающим катионом: натриевая, кальциевая, магниевая.
В ионном составе рек с малой и средней минерализацией преобладают НСОз, Са , Mg . Водоисточники этого типа распространены на севере и в средней полосе страны и питаются главным образом за счет поверхностного стока.
В ионном составе рек и озер с+ повышенной минерализацией преобладают SO4I СГ, Na+, так как они питаются подземными водами. Такие водоемы распространены в основном в засушливых южных районах.
Содержание органических веществ в поверхностных водоемах изменяется в широких пределах. Органические вещества образуются в самом водоеме (развитие водорослей) и привносятся в него с ливневыми и талыми водами с площади водосбора. Максимум органических веществ наблюдается обычно в период паводков. Большая часть органических ве- 86
ществ представляет собой гумус. Водный гумус образуется в процессе разложения остатков водных растений. Кроме того, гумусовые вещества попадают в водоем в результате вымывания их из почвы. Почвенный гумус состоит из нерастворимой части и гуминовых и фульвокислот. Гуминовые кислоты с молекулярной массой 1200—1400 и содержанием углерода 52— 58 % могут образовывать в воде взвеси, коллоидные и истинные растворы. Фульвокислоты — также высокомолекулярные соединения, содержат меньше углерода — 45—48%, более диссоциированы и могут присутствовать в воде в коллоидном и истинно растворенном состоянии.
Переходя из почвы в воду, гумусовые вещества окрашивают ее в желтый или коричневый цвет в зависимости от их концентрации.
Следует отметить, что во всех подземных и поверхностных водоисточниках качество воды разное. Нет двух одинаковых по качеству воды рек, двух артезианских скважин, двух колодцев. Более того, в каждом водоисточнике, особенно поверхностном, характер воды меняется с течением времени.
С ростом урбанизации и промышленного производства, химизации сельского хозяйства все большее влияние на общую водную экологию оказывает антропогенный фактор, т.е. фактор использования воды человеком.
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
Температура — физический показатель качества воды. Температура воды поверхностных водоисточников в зависимости от сезона года изменяется от 0 до 30°С. Подземные источники водоснабжения имеют относительно постоянную температуру 8—12°С. Для питьевых целей желательно иметь воду с температурой 7—15°С.
Температура влияет на вязкость воды и, следовательно, на скорость осаждения взвешенных частиц.
Измеряется температура непосредственно при отборе пробы термометром с делениями до 0,1°С с точностью ±0,5®.
Реакция среды. Вода хозяйственно-питьевого назначения должна иметь pH - 6,5—8,5. Такое требование связано с необходимостью удовлетворения физиологических потребностей человека и исключения коррозии материалов труб и сооружений. Для большинства природных водоисточников величина pH не выходит за эти пределы.
Значение pH определяют электрометрически со стеклянным и каломельным электродами. Допускается измерение с набором буферных смесей в качестве стандартных.
Величина pH — мера активной реакции среды, или активной кислотности, обусловленной присутствием в растворе свободных ионов водорода. Для количественной характеристики кислотности растворов пользуются также понятием “общая кислотность”, для выражения которой служит нормальность, равная числу г-экв кислоты в 1 л. Общая кислотность называется титруемой или аналитической, так как определяется титрированием раствора щелочью. Активная кислотность составляет Столько часть общей кислотности и тем большую, чем выше степень диссоциации кислоты, присутствующей в растворе. '
Для характеристики растворов с величиной рН^ 4,5 кроме активной и общей кислотности определяют свободную кислотность, которая выражается числом г-экв щелочи, необходимым для нейтрализации 1 л раствора до pH - 4,5.
Цветность — показатель, обусловленный наличием в воде гуминовых и фульвокислот и их растворимых солей, а также присутствием соединений железа. Примеси, обусловливающие цветность воды по степени дисперсности, относятся ко второй и третьей группам.
Количество примесей в воде, обусловливающих цветность, зависит от многих факторов и главным образом от наличия торфяников в бассейне водоисточника. Цветность воды, имеющей большую концентрацию взвешенных веществ, определяют после предварительного отстаивания пробы или в фильтрате. При массовом развитии водорослей в поверхностных водоемах вода может приобретать различные оттенки, однако на величину показателя "цветность” это не должно влиять, так как при фильтровании воды клетки водорослей задерживаются на фильтре.
Следует отметить, что нет прямого соответствия между цветностью и количеством4 органических веществ, вызывающих окраску. Поэтому степень цветности выражают не в мг/л какого-то вещества, а в особых единицах и градусах. Измерение производится путем сравнения пробы со стандартным раствором, приготовленным из смеси солей хлор- платината калия KaPtCU и хлорида кобальта C0CI2
(платино-кобальтовая шкала). Окраска воды, соответствующая окраске стандартного раствора, который содержит 0,1 мг платины в 1 мл, оценивается 1 град цветности. В качестве стандартного можно применять также раствор, приготовленный из бихромата калия и сульфата кобальта. Цветность речных вод колеблется в больших пределах — от 35 до 55 град, достигая в отдельных случаях 200 град и выше,
Запахи и привкусы — органолептические показатели качества воды. Запахи вызывают летучие пахнущие вещества. Запахи и привкусы природной воды обусловлены присутствием веществ естественного происхождения или веществ, попадающих в воду в результате загрязнения ее стоками. Естественные запахи (землистый, гнилостный, болотный, сероводородный и т.д.) связаны, как правило, с развитием в водоеме водорослей, плесеней, актиномицетов и других водных организмов. Запахи искусственного происхождения классифицируют как хлорный, фенольный, аптечный и т.д. Вкус описывают как соленый, сладкий, горький, кислый. Отмечают также особые привкусы — щелочной, металлический и пр.
При определении запаха и привкуса сначала устанавливают их характер, а затем интенсивность, оцениваемую по пятибалльной системе.
При выполнении анализа на запах и привкус обязательно указывается температура, поскольку интенсивность этих показателей увеличивается с повышением температуры.
Вода источников хозяйственно-питьевого снабжения обычно имеет запах и привкус не выше 3—4 баллов.
Чаще всего питьевая вода не имеет вкуса. Воды подземных источников могут иметь солоноватый и горько-солоноватый вкус вследствие содержания солей в высоких концентрациях.
Мутность природной воды обусловлена присутствием нерастворенных и коллоидных веществ неорганического (глина, песок, гидроксид железа) и органического (илы, микроорганизмы, планктон, нефтепродукты) происхождения, т.е. примесями, относящимися по степени дисперсности к первой и второй группам.
Измеряют мутность различными методами, основанными на сравнительной оценке исследуемой пробы со стандартным раствором, мутность которого создается внесением в дистиллированную воду стандартной суспензии диоксида
кремния SiCh. Результаты определения мутности выражают в мг/л. В речных водах мутность выше, чем в подземных. В период паводков мутность речных вод может достигать десятков тысяч миллиграммов в 1 л. В питьевой воде мутность, согласно действующим в нашей стране санитарным нормам, должна быть не выше 1,5 мг/л.
Наличие в воде нерастворенных и коллоидных примесей можно оценить и по степени прозрачности пробы. Прозрачность определяют в цилиндрах из бесцветного стекла высотой 30—50 см с плоским дном. Проба считается прозрачной, если через столб воды в цилиндре, помещенном на расстоянии 2 см от контрольного текста, напечатанного специальным шрифтом, можно прочитать текст и различить указанные в нем цифры или же четко видеть крест, нанесенный черными линиями толщиной 1 мм, с четырьмя точками по полям. Высота столба воды в сантиметрах и есть прозрачность воды "по шрифту" или "по кресту".
Для характеристики природных вод применяют и другой показатель — содержание взвешенных веществ. Под взвешенными веществами понимается количество загрязнений, которое задерживается на бумажном фильтре при фильтрации пробы (при атмосферном давлении или слабом разрежении). Для фильтрования загрязненных вод используют самый пористый фильтр типа "белая лента", а при исследовании воды с загрязнением не более 25 мг/л — тонкие мембранные фильтры. Фильтр со взвешенными веществами высушивается при 105°С до постоянного веса, и по разнице веса фильтра до и посте фильтрации определяется количество взвешенных веществ в воде.
Между количеством взвешенных веществ и прозрачностью однозначной связи нет. Прозрачность определяется наличием не только взвешенных частиц, ко и коллоидных примесей, которые не задерживаются бумажным фильтром, а потому не включаются в состав показателя взвешенных веществ. Кроме того, прозрачность зависит также от формы и размеров частиц, что для показателя взвешенных веществ значения не имеет. Несмотря на эти различия, для ориентировочных определений (в целях упрощения эксплуатационного контроля) по результатам длительных наблюдений строят график зависимости прозрачности от количества взвешенных веществ, с помощью которого на основании быстро и легко выполняемого определения прозрачности можно с достаточной степенью точности установить
Рис. 18. Зависимость прозрачности "по шрифту” от содержания взвешенных веществ
количество взвешенных частиц в воде. Пример такой зависимости для одной из рек средней полосы европейской части России представлен на рис. 18.
Сухой остаток и потери при прокаливании. В практике водоподготовки под сухим остатком понимают общую сумму неорганических и органических соединений в растворенном и коллоидно растворенном состоянии. Сухой остаток определяют выпариванием предварительно профильтрованной пробы с последующим высушиванием при 105°С. Потери при прокаливании определяют содержание в сухом остатке органических веществ. Остаток после прокаливания характеризует солесодержание воды.
Сухой остаток в воде источника хозяйственно-питьевого назначения и в питательной воде не должен превышать 1000 мг/л, так как употребление человеком воды с повышенным солесодержанием вызывает различные заболевания.
Ионный состав. Как уже было сказано, общее солесодержание природных вод в большинстве случаев с достаточной степенью точности определяется катионами Na+, К+, Са2+, Mg2+ и анионами НСОз, SO^ СГ. Остальные ионы присутствуют в воде в незначительных количествах, хотя их влияние на свойства и количество воды иногда очень велико. Поскольку вода электронейтральна, то сумма положительных ионов равна сумме отрицательных ионов:
[Na+] + [К+] + ICa2+] + [Mg2+] =
- [НСОз] + ISO2"] + [СГ].
Сульфаты, хлориды, силикаты. Естественное содержание сульфатов в поверхностных и грунтовых водах обус-
ловлено выветриванием пород и биохимическими процессами, происходящими в водоносных слоях.
По ГОСТу предельное содержание сульфат-ионов в воде источников централизованного водоснабжения не должно превышать 500 мг/л, но, как правило, в речной воде концентрация сульфатов составляет 100—150 мг/л. Повышенная концентрация сульфатов может свидетельствовать о загрязнении источника сточными водами, в основном производственными.
Хлориды являются составной часть большинства природных вод. Содержание хлоридов естественного происхождения имеет большой диапазон колебаний. Однако в воде рек концентрация хлоридов невелика — она не превышает обычно 10—30 мг/л, поэтому повышенное количество хлор-ионов указывает на загрязнение источника сточными водами. В воде источников централизованного водоснабжения концентрация хлоридов не должна превышать 350 мг/л.
Лимитирование верхнего предела концентраций сульфатов и хлоридов обусловлено тем, что более высокие концентрации этих ионов придают воде солоноватый привкус и могут вызывать нарушение в работе желудочно-кишечного тракта у людей. При некоторых соотношениях сульфатов и хлоридов вода становится агрессивной по отношению к различным типам бетона.
Силикаты в растворе определяют лишь в тех природных водах, где их содержание зависит от геологических условий и присутствия некоторых организмов. В природных водах кремниевая кислота может находиться в формах мета- кремниевой НзЗЮз* (ЗЮг'НзО), ортокремниевой H4SiO4.(SiO2*2H2O) и поликремниевой H2SiO5(2SiO2*H2O) кислот. Все эти кислоты при обычных для природных вод значениях pH малорастворимы и образуют в воде коллоидные растворы. Силикаты — нежелательная примесь в воде, питающей котлы, так как дает силикатную накипь на стенках котлов.
Наличие нерастворенных силикатов (песок) в природных водах связано с атмосферными осадками, смываемыми с территории населенных пунктов.
Соединения железа и марганца. Железо практически всегда встречается и в поверхностных, и в подземных водах; концентрация его зависит от геологического строения и гидрогеологических условий бассейна. Соединения железа
в воде присутствуют в растворенной, коллоидной и нера- створенной форме. В истинно растворенном состоянии Fe3+ может находиться в очень небольших концентрациях; необходимым условием при этом является низкое значение pH. Поскольку это условие для природных вод не характерно, то большая часть FeJ присутствует в коллоидной форме и в виде тонкой суспензии. В подземных водах железо присутствует в форме Fe2+. Двухвалентное железо в воде в присутствии растворенного кислорода очень быстро переходит в трехвалентную форму и образует малорастворимый гидроксид железа, выпадающий в осадок:
4Fe2+ + 8НСО3 + О2 + 2НгО -4Fe(OH)3l + 8СО2.
Повышенное содержание железа в поверхностных водах указывает на загрязнение их производственными сточными водами. Высокое содержание железа вызывает отложение осадка в трубах и их зарастание, а также ухудшает вкус питьевой воды. Содержание железа в питьевой воде допускается в количестве не более 0,3 мг/л. Содержание марганца обычно меньше, чем железа. Так, для воды рек средней части нашей страны количество железа варьирует от 0,1 до 1 мг/л , а марганца — от 0 до 0,05 мг/л.
Щелочность. Щелочностью называют содержание в воде веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами, т.е. ионами водорода. ’ Это одна из важнейших характеристик природной воды.
На щелочность воды существенным образом оказывает влияние состояние соединений углекислоты, которое поэтому следует рассмотреть более подробно.
Углекислота может присутствовать в воде в форме недиссоциированных молекул Н2СО3 (в малых количествах), молекулярно растворенного диоксида углерода СО2 и гидрокарбонатов (бикарбонатов) НСОз, если pH воды менее 8,4, и в виде карбонатов СОг, если pH более 8,4.
Количественное соотношение между различными соединениями углекислоты определяется уравнениями диссоциации первой и второй ступени. Константы диссоциации первой и второй ступени Ki и Ki зависят от концентрации ионов водорода, поэтому существование различных форм углекислоты в растворе определяется pH.
Из рис. 19 следует, что при pH - 3,7—4 вся находящаяся в воде углекислота представлена только диоксидом углерода СО2* По мере повышения pH доля СО2 умень-
Рис. 19. Соотношения С О 2, НС Оз и СО|" в зависимости от pH воды
шается, а следовательно, возрастает доля гидрокарбинатов. При pH - 8,3—8,4 практически вся углекислота находится в виде гидрокарбонатов (98%), а на долю СО2 + СОз приходится менее 2%. При дальнейшем повышении pH (более 8,4) свободного СО2 в воде нет, а только гидрокарбонат- и карбонат-ионы. При pH >12 в растворе находятся только карбонаты.
Экспериментально щелочность определяют титрованием соляной или серной кислотой последовательно с индикаторами фенолфталеином и метилоранжем. Окраска фенолфталеина при pH - 8,2—8,4 переходит из розовой в бесцветную, что совпадает с таким состоянием раствора, когда в нем остаются лишь гидрокарбонаты. Метилоранж меняет окраску при pH * 4—4,3, т.е. в момент, когда в растворе остается свободный диоксид углерода СО2*
При титровании с фенолфталеином протекают реакции нейтрализации гидроксильных ионов ОН" и карбонатных ионов с образованием соответственно воды и гидрокарбонатов:
ОН' + Н+ - Н2О; СОз + Н+ — НСОз.
Следовательно, расход кислоты на титрование с фенолфталеином эквивалентен содержанию гидроксидов и половины карбонатов, так как последние нейтрализуются только наполовину, до НСОз. Таким образом,
Ф - [ОН] + 0,5 [СОз], где Ф — щелочность воды, мг-экв/л; [ОН-] и [СОз] — концентрации гидроксильных и карбонатных ионов, мг-экв/л.
При дальнейшем титровании в присутствии метилоранжа происходит реакция нейтрализации гидрокарбонатов:
НСОз + н+ — СОг + н2о.
Следовательно, весь расход кислоты от начала нейтрализации и до конца эквивалентен содержанию ионов:
М - [НО"] + [СОз].
Величина М, мг-экв/л, символизирует общую щелочность воды, а Ф — так называемую свободную щелочность, обусловленную наличием гидроксидов и половины карбонатов.
Если pH воды ниже 4—4,3, то ее щелочность равна нулю. Вода рек средней полосы европейской части страны имеет pH - 7—8; щелочность этой воды обычно составляет 3—4 мг-экв/л.
Углекислотные соединения обусловливают и такое свойство воды, как ее агрессивность, которая выражается в разрушающем действии воды на металлы и даже на бетон (подробнее это описано в разд. 4).
Жесткость. Общая жесткость воды Жо показывает концентрацию катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, главным образом кальция и магния.
В природных условиях эти элементы попадают в воду вследствие воздействия углекислого газа на карбонатные минералы, в также в результате биохимических процессов, происходящих в почве.
Общая жесткость
Жо = [Са2+]/20,04 + [Mg2+]/12,16,
где 20,04 и 12,16 — эквивалентные массы соответственно Са и Mg.
Различают жесткость карбонатную и некарбонатную.
Количество Са и Mg, эквивалентное содержанию гидрокарбонатов НСОз, называется карбонатной жесткостью Жк» Если количество гидрокарбонатов в воде превышает содержание Са и Mg ([НСОз] [Са2+] + [Mg2+]), то карбонатная жесткость эквивалентна суммарному содержанию Са и Mg. При [НСОз]/61,02 - [Са2+]/20,04 + [МрЧ/12,16
Жк - Жо - [Са2+]/20,04 + [Mg2+]/12,16.
Если же содержание ионов кальция и магния выше, чем количество гидрокарбонатов, то карбонатная жесткость
равна концентрации [НСОз]. При [НСОз]/61,02 [Са2+1/20,04 + [Mg2+ J/12,1 б
Жк = [НСОз 1/61,02.
Разность между общей и карбонатной жесткостью называется некарбонатной жесткостью:
Жнк = Жо — Жк.
Следовательно, ЖНк — это содержание Са и Mg, эквивалентное концентрации всех остальных анионов.
Результаты определения жесткости выражают в мг- экв/л. В табл. 1 приведена классификация природных вод по величине их жесткости.
Таблица 1. Степень жесткости природных вод
Характеристика воды
Жесткость, мг-экв/л
Характеристика воды
Жесткость, мг-экв/л
Мягкая<4Жесткая8-12
Средней жесткости4-8Очень жесткая>12
Жесткость речных вод обычно невысока (1—6 мг- экв/л), однако, воды рек, прорезающих толщу известковых и гипсовых пород, отличаются повышенной жесткостью. Воды подземных источников имеют более высокую жесткость, чем воды поверхностные.
Для питья допускается использование мягкой воды и воды средней жесткости, так как наличие солей кальция и магния в определенных пределах невредно для здоровья и не ухудшает вкусовых качеств воды. Использование же жесткой воды для хозяйственных целей вызывает ряд неудобств: образуется накипь на стенках варочной посуды, увеличивается расход мыла при стирке, медленно развариваются мясо и овощи. Жесткость питьевой воды по действующему стандарту должна быть не выше 7 мг-экв/л и лишь в особых случаях допускается до 10 мг-экв/л. Для производственных целей использование жесткой воды часто совсем недопустимо. Так, жесткая вода не пригодна для систем оборотного водоснабжения, для питания паровых котлов, для производства высокосортной целлюлозы, искусственного волокна и др.
Соединения азота и фосфора. Азот в воде может находиться в органических соединениях — белковых и небелковых и неорганических — в виде аммонийного, нитритного и нитратного*.
Повышенное количество азота в природной воде в виде органических соединений или в аммонийной форме свидетельствует о загрязнении водоисточника сточными водами, как бытовыми, так и производственными. Наличие же окисленных форм азота, в особенности нитратов, позволяет говорить либо о ликвидации внесенного загрязнения, т.е. о закончившемся окислении аммонийных соединений, либо о неорганическом их происхождении, т.е. об отсутствии внешнего загрязнения вообще.
В речных водах содержание азота аммонийных солей колеблется от 0 до 1 мг/л в зависимости от степени ее загрязнененности и не должно превышать 10 мг/л (по азоту). Такой же предел установлен и для нитратов.
Фосфор в природной воде встречается в виде минеральных и органических соединений в растворенном, коллоидном и суспензированном состояниях.
Содержание соединений фосфора в чистых водоемах ничтожно мало и обычно не превышает сотых долей мг/л. Повышенное содержание фосфора наблюдается при смыве удобрений с сельско-хозяйственных полей, при спуске сточных вод.
Перманганатная окисляемость — обобщенный показатель, характеризующий содержание в воде легкоокисляе- мых органических и некоторых неорганических соединений (нитриты, сульфиты, железо двухвалентное). Под окисля- емостью понимают количество кислорода, эквивалентное расходу перманганата калия.
Артезианские воды имеют обычно окисляемость, не превышающую 1—2 мг/л, тогда как в поверхностных водоисточниках ее значение может достигать 10—12 мг/л. Повышение окисляемости в водоисточнике служит показателем его загрязнения.
Растворенные газы. В воде природных источников чаще всего присутствуют кислород, диоксид углерода и сероводород.
В открытых незагрязненных водоемах количество растворенного кислорода близко к насыщению и составляет 8—9 мг/л. Иногда фиксируются значения, превышающие предел насыщения при температуре определения, что
свидетельствует о пересыщении воды кислородом, а также о присутствии его в воде в свободном, а не в растворенном состоянии. Количество кислорода в поверхностных источниках в верхних слоях выше, чем в глубинных, за счет усиленной поверхностной аэрации и интенсивно проходящих процессов фотосинтеза.
Сероводород содержится в некоторых подземных водах, а его присутствие в поверхностных водах свидетельствует о загрязнении источника сточными водами.
Соединения сероводорода в воде могут быть в виде молекулярно растворенного H2S, гидросульфидов HS" и сульфидов S . Соотношение между различными формами зависит от pH. При наличии сероводорода и железа в воде образуется тонкодисперсный осадок сульфида железа FeS. Это явление можно иногда наблюдать в тупиковых участках водопроводной сети с малым обменом воды. В результате жизнедеятельности суль- фатредуцирующих бактерий сульфа™ переходят в сульфиды и реагируют с ионами железа (см. 16).
Сероводород — токсичный газ, придает воде неприятный запах, в хозяйственно-питьевых водах его присутствие не допускается.
Растворенные газы (О2, СО2, H2S) при определенных условиях способствуют развитию коррозии металлов и бетона.
Соединения фтора и иода. Содержанию этих соединений придается большое гигиеническое значение при характеристики природных и питьевых вод, поскольку как недостаток, так и избыток фтора и иода приводят к развитию ряда заболеваний. Оптимальная концентрация фтора в питьевой воде составляет 0,7—1,2 мг/л, предельно допустимая 1,5 мг/л. При избытке фтора в природной воде ее приходится обесфторивать, а при недостатке — фторировать. Суточная потребность организма человека в иоде составляет 0,003 мг.
Токсичные соединения. К числу токсичных веществ, присутствие которых в питьевой воде строго лимитируется, отнесены бериллий, молибден, мышьяк, свинец, селен, стронций, нитраты. Определение их в воде, как правило, производится в случаях, когда предполагается наличие этих веществ в воде водоисточника. Кроме того, установлены ПДК алюминия и полиакриламида, добавляемых к воде в процессе обработки.
Необходимо отметить, что при обнаружении в воде нескольких токсичных веществ или веществ нетоксичных, но влияющих на привкус воды, их суммарная концентрация,
выражаемая в долях от нормативов ПДК, не должна быть больше 1. Расчет, соответствующий этому требованию, ведется по формуле
ci/Ci + С2/С2 + ... + cn/Cn^ 1, (13) где ci, С2 ...сп — обнаруженные в воде концентрации, мг/л; Ci, Сз.-Сп — установленные ПДК, мг/л. * -
Санитарно-бактериологические и гидробиологические показатели. Микронаселение природных вод чрезвычайно разнообразно. Его качественный и количественный состав определяется в первую очередь составом воды. Для глубоко залегающих, очень чистых артезианских вод характерно почти полное отсутствие бактерий вследствие защищенности водоносного слоя от контакта с лежащими выше горизонтами.
Особенностью состава воды открытых водоемов является изменение его по сезонам года, сопровождающееся изменениями в количестве и видовом разнообразии микронаселения. Бактериальная загрязненность поверхностных источников обусловлена, главным образом, поступлением в водоемы поверхностного стока, содержащего органические, минеральные вещества и микроорганизмы, смываемые с площади водосбора, и сточных вод.
С позиций санитарной микробиологии оценка качества воды проводится с целью определения ее санитарноэпидемиологической опасности или безопасности для здоровья человека. Вода играет важную роль в передаче возбудителей многих инфекций, главным образом кишечных. Патогенные микроорганизмы попадают в воду с выделениями людей и животных, при стирке белья, водопое скота. Через воду получают распространение брюшной тиф, дизентерия, холера, инфекционный гепатит и т.д.
Прямое количественное определение возбудителей всех инфекций для контроля за качеством воды неосуществимо в связи с многообразием их видов и трудоемкостью анализа. В практической санитарной микробиологии поэтому прибегают к косвенным методам, позволяющим определить потенциальную возможность заражения воды патогенными микроорганизмами.
Санитарно-бактериологическая оценка качества воды основана на определении двух основных показателей, микробного числа и числа бактерий группы Coli.
Первый показатель дает представление об общей обсеме- ненности воды аэробными сапрофитами, поэтому часто назы-
вается общим счетом аэробных сапрофитов или (кратко) общим счетом. Микробное число определяют методом посева на стандартную среду — мясопептонный агар (МПА).
Аэробные сапрофиты составляют только часть общего числа микробов в воде, но являются важным санитарным показателем качества воды, так как между степенью загрязнения ее органическими веществами и микробным числом существует прямая зависимость. Кроме того, полагают, что чем выше микробное число, тем больше вероятность присутствия в воде патогенных микроорганизмов. Микробное число водопроводной воды не должно превышать 100. В природных водах этот показатель изменяется в очень широких пределах для разных водоемов и по сезонам года для одного и того же водоема. В чистых водоемах число аэробных сапрофитов может исчисляться десятками или сотнями, а в загрязненных и грязных водоемах составлять десятки тысяч и миллионы.
По второму показателю — числу бактерий группы Coli (кишечная палочка) оценивают возможное присутствие в воде патогенных микроорганизмов.
Бактерии группы Coli относятся к семейству энтеробактерий. Это неспороносные палочки, факультативные анаэробы, сбраживающие лактозу и глюкозу при температуре 37°С с образованием кислоты и газа и не обладающие оксидазной активностью. Они являются постоянными обитателями кишечника человека и животных; постоянно и в большом числе выделяются во внешнюю среду; дольше, чем патогенные микроорганизмы, сохраняют жизнеспособность в этой среде; более устойчивы к действию хлора, чем возбудители большинства инфекций. Именно эти свойства бактерий группы Coli обусловили возможность их использования в качестве санитарно-показательных микроорганизмов. Наличие коли- форм в воде говорит о ее фекальном загрязнении, а их число позволяет судить о степени этого загрязнения. Для количественного определения коли-форм применяют фуксин-су- льфитный агар (среда Эндо).
Анализ водопроводной и чистой природной воды проводят после предварительного концентрирования воды на мембранных фильтрах. Результаты выражают в виде коли- индекса — числа бактерий в 1 л воды. Иногда делают пересчет, определяя коли-титр — наименьший объем воды (в мл), содержащий одну кишечную палочку. Коли- титр - 1000/коли-индекс.
Кали-индекс водопроводной воды должен быть не более 3. Допустимый коли-индекс воды источников водоснабжения зависит от предполагаемого способа очистки. Если намечается только хлорирование воды, то коли-индекс воды в источнике не должен превышать 1000; при полной очистке воды — 10 000.
В особых условиях по санитарно-эпидемиологическим показателям прибегают к определению в воде энтерококков, энтеровирусов, сальмонелл и проводят исследования воды на патогенную микрофлору.
Поверхностные источники водоснабжения помимо санитарно-бактериологических тестов характеризуются также данными гидробиологических наблюдений. Микроскопированием пробы воды определяется число клеток фито- и зоопланктона. Эти показатели существенно изменяются по сезонам — как по количеству организмов, так и по их видовому разнообразию.
В весенне-летний период интенсивного развития водорослей (цветения водоема) содержание фитопланктона в поверхностных водах может достигать 50 тыс. клеток в 1 мл. Летом зоопланктон отличается большим разнообразием и представлен низшими ракообразными, коловратками, личинками моллюска дрейссены. В воде могут оказаться и бентосные организмы: черви, личинки насекомых. В зимний период в воде встречаются, в основном, низшие ракообразные. Число организмов зоопланктона обычно выражают числом экземпляров в 1 м3 воды. В воде источников встречаются также организмы, видимые невооруженным глазом. Их число оценивают числом экземпляров в 1 м3. Для рек средней полосы европейской части нашей страны концентрация зоопланктона составляет 100 — 10 000 экз. в 1 м3 воды. Обычно их в несколько раз меньше, чем организмов зоопланктона.
В питьевой воде планктонные организмы, так же как организмы, видимые невооруженным глазом, должны отсутствовать.
Главам СОСТАВ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВАСТОЧНЫХ ВОД
Использование воды человеком для удовлетворения бытовых и производственных нужд, в сельском хозяйстве, производстве электроэнергии практически всегда сопровож-
дается ее загрязнением, а неизбежный возврат этой воды в источники, в свою очередь, приводит к загрязнению природных вод и нарушению естественного равновесия в циклах круговорота углерода и азота.
ХАРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД
Воды, удаляемые после их использования, называют сточными. Более полно сточной водой (или сточной жидкость) называется использованная на бытовые или производственные нужды вода, получившая при этом загрязнения, изменившие ее первоначальный химический состав или физические свойства (или одновременно и то и другое), и подлежащая удавлению с территории населенного пункта или промышленного предприятия.
В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные категории: бытовые (иначе хозяйственнофекальные), производственные и ливневые.
К бытовым относятся воды от кухонь и туалетных комнат, бань и прачечных, предприятий общественного питания и лечебных учреждений, воды от мытья помещений. Они поступают от жилых и общественных зданий и от бытовых помещений промышленных предприятий. По природе загрязнений они могут быть фекальные, загрязненные, в основном физиологическими выделениями людей, и хозяйственные, загрязненные всякого рода хозяйственными отбросами. Основную часть органических загрязнений бытовых сточных вод составляют белковые вещества, жиры, углеводы и продукты их разложения. Неорганическую часть загрязнений составляют соли, присущие питьевой воде и образующиеся в процессе обменных реакций в организме человека. В частности, к продуктам обмена веществ относятся фосфаты и аммонийные соли — продукт гидролиза мочевины. К неорганическим примесям сточных вод относятся также песок и глинистые частицы, попадающие в бытовые воды от мытья овощей и фруктов, уборки помещений и т.д. Загрязнения органической природы составляют 45—58% обшей массы загрязнений бытовых сточных вод.
Особую категорию составляют биологические загрязнения: разнообразные микроорганизмы, в том числе и патогенные, и яйца гельминтов. Эти загрязнения попадают в систему водоотведения с физиологическими выделениями людей, с водой от ванн и кухонь.
Отличительная особенность бытовых сточных вод — относительное постоянство их состава, так как от каждого жителя в систему водоотведения поступает в среднем постоянное количество определенных загрязнений (г/сут).
В совокупности загрязнения бытовых сточных вод представляют собой полноценный субстрат для гетеротрофных бактерий, поэтому для их очистки, как правило, применяют биологические методы.
К производственным сточным водам относят воды, использованные в технологическом процессе производства и не пригодные для вторичного использования. Состав производственных сточных вод очень разнообразен и зависит от вида производства, а также от принятого технологического процесса.
Производственные сточные воды могут содержать преимущественно органические или неорганические примеси, или их смесь; иметь в своем составе токсичные соединения, ценные вещества, специфические виды микроорганизмов, используемых в промышленности. Разнообразие состава и характера загрязнений производственных сточных вод обусловливает применение для их очистки различных методов, как химических и физико-химических, так и биологических.
Ливневые воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков. К ним относятся также талые воды, образующиеся при таянии лада и снега. Отличительной чертой ливневого стока является его эпизодичность и резкая неравномерность по расходу и качеству воды. Воды от поливки улиц, от фонтанов и дренажей по качественной характеристике загрязнений близки к ливневым и удаляются вместе с ними.
В составе ливневых сточных вод много песка, глины, мусора, нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Ливневые воды с территории промышленных предприятий могут содержать специфические примеси, характерные для того или иного производства.
В специальной литературе часто фигурирует термин "городские сточные воды". Под городскими сточными водами понимают смесь всех трех видов вод при общесплавной системе канализации или бытовых и производственных при раздельной системе. На городских очистных станциях вода последовательно проходит сооружения механической, биологической очистки и дезинфицируется. Для обеспечения нормальной работы этих сооружений к городским сточным водам предъявляются ряд требований, выполнение которых обеспечивается
постоянным контролем за сточными водами промышленных предприятий, подключенных к водоотводящей сети города.
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД
Температура. Кроме влияния на процессы осаждения температура является также важным технологическим параметром биологических процессов очистки, так как от нее зависят скорость биохимических реакций и растворимость в воде кислорода, необходимого для жизнедеятельности микроорганизмов.
Определяют температуру так же, как и в анализе природных вод. Как правило, температура сточных вод выше, чем природных.
Окраска. Бытовые сточные воды, как правило, окрашены слабо. Интенсивная окраска показывает наличие производственных сточных вод, особенно от предприятий легкой промышленности, где в большом количестве используются разнообразные красители. Окраска определяется в фильтрованных пробах в цилиндрах из бесцветного стекла и описывается на основе визуального наблюдения: розовая, слабо-желтая, буроватая и т.п. Интенсивность окраски характеризуют степенью разбавления исследуемой воды дистиллированной, при которой окраска исчезает. Результат записывают отношением, например 1:500 (где 1 — 1ч. исследуемой пробы, 500 — сумма 499 ч. разбавляющей воды и 1 ч. исследуемой).
Запах. Запах бытовых стоков довольно характерен и представляет собой смесь запахов фекалий и разложений органических веществ. Запах производственных стоков весьма разнообразен и зависит от вида производства. Для сточных вод описание запаха наиболее важно при появлении новых, ранее не встречавшихся оттенков, а также при резком возрастании интенсивности запаха, что свидетельствует о залповом сбросе концентрированных сточных вод отдельными производствами.
Запах определяется так же, как и при анализе природных вод. Сначала определяют характер запаха, затем по пятибалльной системе оценивают его интенсивность.
Прозрачность — показатель степени общей загрязненности воды. Прозрачность городских сточных вод обычно не превышает 3—5 см. Сточные воды после биологической очистки имеют прозрачность более 15 см. Прозрачность сточных вод определяется по шрифту.
Реакция среды. Сточные воды, сбрасываемые в систему водоотведения города, должны иметь значение pH в пределах 6,5—8,5. Требование обусловлено тем, что кислые и щелочные сточные воды разрушающе действуют на материал коллекторов и могут нарушать биохимические процессы очистки сточных вод.
Сухой и плотный остатки. В отличие от анализа природных вод сухой остаток сточных вод определяют из натуральной (нефильтрованной) пробы, поэтому он является показателем суммарного содержания загрязнений во всех агрегатных состояниях.
Плотный остаток определяется из фильтрованной пробы и показывает содержание веществ в коллоидном и истинно растворенном состоянии. В сточных водах, поступающих на сооружение биологической очистки, плотный остаток не должен превышать 10 г/л, так как жизнедеятельность микроорганизмов в более минерализованной среде нарушается. Определения проводят, как и в анализе природных вод.
Взвешенные вещества — одна из важнейших характеристик состава сточных вод. Этот показатель используется для расчета первичных отстойников и для определения количества образующихся осадков.
Концентрация взвешенных веществ в городских сточных водах составляет 100-500 мг/л. С достаточной степенью точности этот показатель может быть определен как разность сухого и плотного остатков.
Оседающие вещества — часть взвешенных веществ, которые оседают на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания в покое. Длительность отстаивания, равная 2 ч, определена на основании экспериментальных наблюдений, которые показали, что дальнейшее увеличение продолжительности процесса практически не изменяет результата, достигнутого за это время. В городских сточных водах оседающие вещества составляет 65—75% взвешенных веществ по массе. ,
В повседневной контрольной практике для определения оседающих веществ используют цилиндры Лисенко объемом 0,5 или 1 л. Нижняя часть цилиндра представляет собой пробирку с тонкой градуировкой до 0,1 мл. Количество оседающих веществ в городских сточных водах обычно не превышает 6—7 мл/л. После 2 ч отстаивания верхнюю часть отстоявшейся жидкости декантируют, а нижнюю с осевшими веществами переносят в стакан и определяют оседающие вещества по массе, так же как и взвешенные
вещества. Таким образом, концентрацию оседающих веществ выражают по объему (мл/л) и по массе (мг/л).
Потери при прокаливании, зольность твердых примесей. Для многих технологических целей нужно знать содержание органической и минеральной частей твердой фазы воды. В этом случае высушенная твердая фаза любого определения (взвешенных веществ, оседающих веществ, сухого или плотного остатка) подвергается прокаливанию. Прокаливание проводят при температуре “красного" каления (500—600°С). Выгорают, т.е. улетучиваются в виде оксидов, углерод, водород, азот, сера и другие примеси. Остаток, называемый золой, после охлаждения взвешивают. Результаты выражают либо в абсолютных цифрах, либо в процентах. Потери при прокаливании — это абсолютное количество улетучившихся примесей; показатель выражается в мг/л. Зольность — отношение массы остатка после прокаливания к массе первоначально взятого твердого образца, выражается в процентах. Зольность взвеси городских сточных вод обычно находится в пределах 25—35%.
Химическая окисляемость определяет общее содержание в воде восстановителей — органических и неорганических, реагирующих с окислителями. В сточных водах преобладают органические восстановители, поэтому, как правило, всю величину окисляемости относят к органическим примесям воды.
Химическую окисляемость определяют с использованием в качестве окислителей бихромата калия К2СГ2О7 (бихроматная окисляемость) или йодата калия КЮз (йодатная окисляемость). Бихроматную и йодатную окисляемость иначе называют химической потребностью в кислороде или ХПК. Это название точно отражает сущность определения окисляемости, так как оценивается количество кислорода, необходимое для окисления примесей воды, т.е. для перевода С в СО2, Н в Н2О, N в NH3 и т.д.
Различают ХПК теоретическую, вычисляемую по стехиометрическому уравнению окисления (для чего должен быть известен химический состав примесей), и экспериментальную, определяемую с использованием бихромата или йодата калия.
Теоретическая или расчетная ХПК органического вещества C^HyOzN подсчитывается следующим образом: составляется уравнение окисления и затем рассчитывается
количество кислорода, требуемое для окисления 1 мг вещества (мг О2/мг):
CxHvOzN + (х + у/4 - z/2 - 3/4)02 - хСО2 + +[(у - 3)/2]Н2О + NH3;
(х + у/4 — z/2 - 3/4)32ХПК =.
12х + 1 у + 16z + 14
Экспериментальная ХПК часто меньше теоретической, поскольку ряд органических веществ (красители, СПАВ, сложные углеводороды и др.) либо вовсе не окисляются бихроматом и йодатом в условиях определения, либо окисляются не до конца. Например, расчетная ХПК толуола С6Н5СН3 (мг 02/мг):
С6Н5СН3 + 9О2 - 7СО2 + 4Н2О;
ХПКС6Н5СНз= (9 • 32)/(12 • 7 + 1 8) =3,14.
Экспериментальная ХПК толуола составляет 1,86 мг 02/мг. Расхождение объясняется тем, что в условиях определения бензольное кольцо не разрушается до конца.
Биохимическая окисляемость определяет содержание в воде органических примесей, которые могут быть окислены биохимическим путем. Окисление осуществляют аэробные гетеротрофные бактерии. По аналогии с ХПК окисляемость с использованием окислительной способности бактерий называют биохимической потребностью в кислороде, или БПК.
Значительное число бактерий — облигатных аэробов и факультативных анаэробов — способно существовать за счет использования загрязнений (примесей) воды в качестве источника питания. При этом часть использованных органических веществ расходуется на энергетические нужды, а другая часть — на синтез тела клетки. Часть вещества, расходуемая на энергетические потребности, окисляется клеткой до конца, т.е. до С02, Н2О, NH3. Продукты окисления — метаболиты — выводятся из клетки во внешнюю среду. Реакции синтеза клеточного вещества идут также с участием кислорода. Количество кислорода, требуемого микроорганизмам на весь цикл реакции синтеза и получения энергии, и есть БПК.
В результате жизнедеятельности бактерий сточная вода очищается от исходных органических примесей, однако в
ней остаются некоторые органические вещества, малодоступные или совсем недоступные бактериям для усвоения, и, кроме того, вода получает новые загрязнения — органические и неорганические — метаболиты.
Существует несколько способов аналитического измерения БПК — метод разведения, нитратный, хлораторный, распирометрический и др. На практике чаще всего применяют метод разведения. 1 часть сточной воды смешивают с п частями разбавляющей воды, смесь до предела насыщают растворенным кислородом путем продувки или встряхивания, разливают в инкубационные склянки и тщательно их герметизируют. Склянки оставляют в термостате при температуре 20'С на 5 сут или более. В склянке развивается сообщество микроорганизмов; величина уменьшения кислорода в склянке, умноженная на степень разведения, дает численную величину БПК.
Максимально возможное растворение кислорода в воде определяется в основном температурой. При температуре 20°С в дистиллированной воде растворяется 9,17 мг Ог/л. Присутствие относительно небольшого количества различных примесей в инкубируемой смеси практически не снижает этого предела.
Определение БПК считают правильным, если к концу периода инкубации в склянке остается от 3 до 5 мг Ог/л. Если к концу инкубации поглощено меньше 4 мг/л кислорода, то в последующих определениях разбавление уменьшают, если больше 6 мг/л, — увеличивают. Когда ожидаемая БПК приблизительно известна, степень разбавления нетрудно установить примерным расчетом. Можно принять, что в среднем потребление кислорода должно составлять 5 мг/л. Делением ожидаемой БПК на 5 получают необходимую степень разбавления исследуемой пробы. Для очень чистой воды с БПК менее 5 мг/л разбавление не требуется. Величина БПК указывается с индексом внизу, который означает длительность инкубации. Например, БПК5 — количество кислорода, потребленное за 5 сут инкубации; БПК| — то же, за / сут. Иногда указывается степень разбавления (что очень полезно для контроля правильности ее подбора) в виде отношения 1:(л + 1). Например, запись БПКза.юо) означает, что определена пятисуточная БПК при разведении одной части сточной воды 99 частями разбавляющей воды.
Разбавляющую воду готовят на основе дистиллированной воды, в которую добавляют фосфорные и аммонийные 108
соли, хлорное железо, хлористый кальций и сернокислый магний, В сумме все соли составляют устойчивую буферную систему, которая позволяет поддерживать постоянное значение pH в течение любого периода инкубации, не изменяющееся от выделения в раствор СО2. Фосфорные и аммонийные соли, кроме того что они создают буферную среду, необходимы и в качестве элементов питания, если анализируются производственные стоки или природные воды, в которых эти элементы отсутствуют.
Существенный элемент разбавляющей воды — так называемая бактериальная затравка. Бактериальная затравка — это жидкость, содержащая культуру или смесь культур бактерий, способных разлагать органические вещества исследуемой воды. Когда анализируют городские сточные воды, внесения бактериальной затравки не требуется, поскольку в этих водах всегда содержится большое число сапрофитов, способных развиваться за счет примесей. При исследовании же растворов чистых химических веществ, производственных сточных вод или же природных и глубоко очищенных сточных вод искусственное заражение требуется. Обычно в качестве заражающей воды используют более или менее очищенную бытовую сточную воду из расчета 0,5 — 1мг на 1 л разбавляющей воды. Расход кислорода на окисление внесенных с затравкой дополнительных загрязненйй вычитается из общего расхода кислорода и в величину БПК исследуемой воды, таким образом, не входит.
Еще одним элементом разбавляющей воды является ингибитор процесса нитрификации. Расход кислорода на нитрификацию (т.е. на окисление азота аммиака) в величину БПК не включается. Однако при анализе слабозагрязненных сточных вод, когда концентрация С-содержащих веществ мала, к концу 5-суточного периода инкубации пробы эти вещества оказываются полностью израсходованными и в склянке усиленно развиваются процессы N-окисления, осуществляемые автотрофной микрофлорой. Расход кислорода на N- окисление достаточно велик и при малом расходе кислорода на С-окисление вследствие малой концентрации С-содержащих веществ ошибка за счет нитрификации может оказаться существенной.
Чтобы избежать этой ошибки, в инкубационную склянку вводят такие вещества, которые, не препятствуя развитию С-окисляющей микрофлоры, ингибируют развитие N-окисля- ющей микрофлоры (Nitrosomonas, Nitrobacter). В качестве
5ПК,5ПК,окислениеокислениеРис. 20. Графическое определение БПКполн
5ПК,
5ПК,
окисление
окисление
1 — БПКполн; 2 — потребление кислорода на N-окисление; 3 — то же, на С-
ингибиторов используют метиленовую синюю, тиомочевину и другие вещества. Однако известно, что нет такого ингабитора N-окисления, который не оказывал бы одновременно угнетающего действия и на С-окислителей. Следствием этого являются заниженные результаты БПК пробы, поскольку в склянках слабо развиваются бактерии, ведущие С-окисление. В связи с этим нередко пользуются проведением эксперимента без введения ингибитора, изучают динамику изменения БПК по времени и рассчитывают требуемую величину с использованием графика (рис. 20). Этот график позволяет определить величину БПКполн, т.е. суммарное потребление кислорода бактериями на получение энергии и синтез клеточного вещества.
Величина БПКполн замечательна тем, что она практически точно совпадает с истинным расходом кислорода на процесс очистки в действующих сооружениях. В склянках процесс длится несколько суток, в сооружениях — несколько часов, что объясняется различной концентрацией микроорганизмов в этих системах. В склянках она составляет микроколичества, а в сооружениях — макроколичества. Разница в концентрациях бывает в несколько миллионов раз.
Таким образом, величина БПКполн — важнейшая технологическая характеристика процесса биологической очистки воды в любых биоокислителях»
Экспериментально БПКполн определяют по появлению следов нитритов или нитратов. Для получения БПКполн требуется длительный период инкубации, продолжительность которого зависит от характера исследуемых примесей, концентрации бактерий, степени их адаптации. Обычно он больше 5 сут и может доходить до 30—40 сут. Для городских сточных вод он достигает примерно 8—-15 сут. Поскольку вести оперативный контроль за работой сооружений, получая результаты анализов только через 8—15 дней,крайне неудобно, то выполняют определение БПКз, которая принята в качестве
стандартной характеристики почти во всем мире (в Финляндии — БПК7). Следует помнить, что БПКполн — объективная величина, характеризующая степень загрязнения воды. Продолжительность периода инкубации, обеспечивающего получение БПКполн, зависит от условий инкубации, но величина БПКполн от этих условий не зависит. В то же время БПК5 — лишь неопределенная часть БПКполн, зависящая от характера окисляемых веществ и условий инкубации пробы.
Математическое описание процесса потребления кислорода при определении БПК. Кривые зависимости БПК от времени инкубации имеют сложный характер. Для удобства проведения технологического контроля используется наиболее простое математическое описание этой кривой (до начала нитрификации) по уравнению
BHKt - БПКполн (1 — 10-kt), (14) где к — константа скорости реакции, сут’1; t — длительность инкубации, сут.
Уравнение (14) можно переписать относительно t:
(15)(15)БПКп u t= 1/klg
(15)
(15)
БПКполн-БПКт
Определим из уравнения (15) время достижения БПКполн при условии БПК/ - БПКполн:
t = 1/klgt = 1/klgБПКполнБПКполн-> ОО-> ОООО
t = 1/klg
t = 1/klg
БПКполн
БПКполн
-> ОО
-> ОО
О
О
Таким образом, исходя из формулы (14) невозможно получить БПКполн за какое-то определенное время, а это противоречит экспериментальным наблюдениям и является результатом недостаточно точного математического описания процесса.
Для практического использования уравнений (14) и (15) вводят ограничение, по которому за БПКполн принимают 90% ее величины. За время достижения БПКполн принимается время, в течение которого процесс закончился на 99%:
БПК1 - 0,99БПКполн;
t = 1/k БПКполн (БПКполн — 0,99БПКполн)= 2/к.
Время достижения БПКполн есть функция константы скорости процесса окисления; зависимость обратно
пропорциональная и имеет вид гиперболы. Экспериментальные наблюдения показали, что к зависит от характера окисляемых веществ: для городских сточных вод она, как правило, изменяется от 0,15 до 0,25 сут"1, а для биологически очищенных — от 0,08 до 0,12 сут" .
Время достижения БПКполн в зависимости от величины имеет следующие значения:
^сут40,050,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,4
Время достижения
БПКполн, сут4020 13,3 1086,7 5
В практике очистки сточных вод весьма прочно укоренилось неверное представление о том, что БПКполн всегда равна БПКго- Это справедливо лишь в одном частном случае при к * 0,1 сут"1. Такое значение константы может иметь уже очищенная вода.
Если характер сточной воды изучен подробно и величина к известна из экспериментальных наблюдений, то можно вычислить коэффициент пересчета БПК5 в БПКполн:
к_БПКполн_ 1
БПК5 1—10^^
Если принять для городских сточных вод к» равной 0,17, а для очищенных сточных вод — 0,08, то коэффициент пересчета будет:
для городских сточных вод
1
К-= 1,16;
1 _ Ю-5 * 0,17
для очищенных сточных вод
1
К == 1,67.
-| -|q—5 * 0,08
Важным показателем, характеризующим способность загрязнений сточных вод к биохимическому окислению, является отношение БПКполн/ХПК. Чем выше это отношение, тем большая часть органических примесей сточной воды может быть изъята в процессе биологической очистки. Считается, что применение биологических методов целесообразно при БПКполн/ХПК^ 0,5.
Соединения азота и фосфора. При анализе сточных вод определяют азот общий, аммонийный, нитритный, нитратный. Показатель "азот общий" определяет содержание в воде органического и неорганического азота. Окисленные формы азота в неочищенных городских водах отсутствуют и появляются только в случае глубокой биологической очистки сточных вод.
Определению азотных и фосфорных соединений в сточных водах придается очень большое значение, поскольку азот и фосфор — важнейшие элементы питания бактерий (см. 15). Как известно, одним из основных способов очистки сточных вод является биологический, осуществляемый микроорганизмами (бактериями, простейшими, водорослями и т.п.), которым создаются оптимальные условия для их существования и развития: по количеству подаваемого питания, температуре, кислородному режиму, степени смешения и др. Достаточность элементов питания для бактерий в биологических сооружениях определяется отношением основных показателей анализа БПКпшш:М:Р. Здесь буквой N обозначен азот в аммонийной форме, а буквой Р — фосфор в виде растворенных фосфатов. В каждом конкретном случае это соотношение индивидуально, так как оно определяется составом продуцируемых клеток, который в свою очередь, зависит от состава очищаемой воды. .
Если азота и фосфора меньше, чем требуется для очистки воды определенного состава, то их добавляют в виде фосфатов и хлористого аммония. Добавление солей для биологической очистки может быть необходимо только при обработке производственных сточных вод. В бытовых же водах, доступных бактериям, азота и фосфора всегда достаточно. Аммонийный азот образуется в большом количестве при гидролизе мочевины; кроме того, азот белковый в результате процесса аммонификации также переходит в аммонийную форму.
Что касается соединений фосфора, то следует заметить, что в физиологических выделениях человека его достаточно много (о роли фосфорных соединений в физиологии микроорганизмов см. гл. 5). В последние годы количество фосфатов в сточных водах резко возросло в связи с тем, что в составе многих синтетических поверхностно-активных веществ (СПАВ) до 40% их массы составляют полифосфаты.
Сульфаты и хлориды. Концентрация сульфатов в городских сточных водах обычно находится на уровне 100-
150 мг/л, хлоридов — 150—300 мг/л. В сооружениях аэробной очистки' эти показатели не претерпевают каких-либо изменений и их количество не имеет существенного значения, если общее солесодержание не превышает установленного предела. Концентрацию хлоридов важно знать при определении ХПК, так как хлориды окисляются бихроматом калия до молекулярного хлора. Поэтому при концентрации хлоридов более 200 мг/л требуется их предварительное осаждение или введение поправки к результату анализа ХПК.
Синтетические поверхностно-активные вещества. СПАВ — группа химических соединений, присутствие которых в сточных водах особенно угрожает санитарному состоянию водоема (водоприемника) и резко отрицательно сказывается на работе очистных сооружений. Появляются СПАВ в сточных водах в результате широкого применения их в быту и промышленности в качестве моющих средств, а также смачивающих, эмульгирующих, выравнивающих, дезинфицирующих препаратов. Наибольшее применение СПАВ находят в нефтяной, текстильной и кожевенной промышленности. В бытовых моющих средствах содержание активного агента достигает 20—30%.
Большинство СПАВ — органические вещества, состоящие из двух частей: гидрофобной и гидрофильной. Гидрофобная часть СПАВ соединена обычно с одной гидрофильной группой. В зависимости от физико-химических свойств гидрофильной части СПАВ делятся на три основных типа: анионоактивные, катионоактивные, неионогенные. Каждый тип в свою очередь делится на классы в зависимости от химического состава гидрофобной части.
Примерно 75—80% всех СПАВ, применяемых в быту и промышленности, составляют анионоактивные. Важнейшим из них являются: алкилсульфаты с общей формулой R—О—SOsNa (где R — углеводородный радикал с числом углеродных атомов от 10 до 20); алкилсульфонаты R—SOaNa (с числом углеродных атомов 12—15) и алкиларилсульфонаты R—СбН4—SOsNa (с числом углеродных атомов в радикале 5—18).
Катионоактивные СПАВ в основном представлены нитрилами, аминами и четвертичными основаниями аммония. Например, поверхностно-активный амин может иметь формулу
R. *
R—CO—NH—CH2—N C 1 .
На втором месте по выпуску и использованию после анионоактивных веществ находятся неионогенные СПАВ. Поверхностно-активные вещества этого типа получают конденсацией окиси этилена с жирными кислотами, алкилфенолами, жирными спиртами, меркаптанами и т.д. Если гидрофобной частью является жирная кислота, СПАВ имеет формулу R—СОО(С2Н4О)пН.
Присутствие СПАВ в сточных водах снижает способность взвешенных веществ к оседанию, тормозит биохимические процессы, способствует возникновению пены в сооружениях и водоемах. Наличие СПАВ в водоемах ухудшает процессы их самоочищения от остаточных загрязнений, вносимых с очищенными водами. Содержание анионных СПАВ в природной воде допускается не более 0,5 мг/л.
Вне зависимости от типа СПАВ рассматривают в трех категориях по отношению к степени биохимической окисля- емости этих веществ: "мягких" СПАВ — с удалением и окислением в биологических сооружениях 75—85%, "промежуточных" — 60% и "жестких" — менее 60%. Нормами предусматривается, что на сооружения биологической очистки может поступать вода с содержанием "мягких" и "промежуточных" СПАВ не более 10—20 мг/л; сброс в канализацию "жестких" СПАВ не допускается.
Растворенный кислород. В загрязненных сточных водах либо растворенного кислорода не бывает совсем, либо его концентрация не превышает 0,5—1 мг/л. Определение количества растворенного кислорода имеет смысл при характеристике очищенных сточных вод и оценке степени насыщения растворенным кислородом биоокислителя. Минимальное содержание кислорода для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов составляет 2 мг/л.
Очищенные сточные воды, выпускаемые в водоем, обычно содержат 4—8 мг/л растворенного кислорода.
Токсичные вещества. К группе токсичных элементов относятся тяжелые металлы: железо, никель, медь, свинец и цинк, а также мышьяк, сурьма, бор, алюминий, хром.
Особенно важно контролировать содержание этих элементов в производственных сточных водах, поступающих на сооружения биологической очистки. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) этих элементов очень низки. Так, для свинца ПДК для сооружений аэробной очистки составляет 1 мг/л, а для меди — 0,5 мг/л. При совместном присутствии нескольких токсичных элементов допустимая концентрация их рассчитывается по уравнению (13).
Кроме неорганических соединений в некоторых видах производственных сточных вод оказываются токсичные органические примеси, такие, как нефтепродукты, фенолы, красители и т.д. Допустимые концентрации этих веществ, не нарушающие работу очистных сооружений также регламентируются "Правилами приема производственных сточных вод в системе канализации населенных пунктов".
Биологические загрязнения. Микрофлора бытовых сточных вод представлена в основном микроорганизмами, выделяемыми из кишечника человека, смываемыми с тела и окружающих предметов. С физиологическими выделениями человека в сточную воду поступает несколько триллионов микробов в сутки. Среди них значительное число составляют кишечные палочки, лактобациллы, энтерококки, грибы, простейшие. При спуске в городскую канализацию некоторых производственных отходов в сточных водах оказываются специфические микроорганизмы (грибы, актиномицеты, дрожжи и т.д.), используемые в промышленности.
Для полной санитарно-эпидемиологической оценки сточных вод кроме микробного числа и коли-теста определяют третий показатель — содержание яиц гельминтов.
Содержание яиц гельминтов в сточной воде характеризует общую и видовую пораженность населения гельминтозами и позволяет оценить уровень санитарного состояния населенного пункта. В сточной воде наиболее часто встречаются яйца аскарид. На их долю приходится около 92% общего числа яиц гельминтов, остальные 8% составляют яйца власоглава, остриц, широкого лентеца.
Увеличение водопотребления наряду с повышением общей культуры населения приводит к постоянному снижению содержания яиц гельминтов в сточных водах. Так, в сточных водах московской канализации количество яиц гельминтов понизилось с 10 шт/л в I960 г. до 0,5 шт/л в 1987 г.
Г л а в a 10. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ
Как уже говорилось, качество воды оценивается комплексом разнообразных показателей, определяющих те или иные ее свойства. Из общего числа показателей, характеризующих качество воды, большинство применяется для оценки воды любого происхождения и назначения. Однако в зависимости от степени загрязненности воды и вида водопользования число и набор показателей, достаточных для характеристики ее качества, могут существенно изменяться. .
ПРИРОДНЫЕ И ПИТЬЕВЫЕ ВОДЫ
Некоторые из показателей рассматриваются в основном применительно к природной и питьевой воде, в также к воде промышленных водопроводов. К числу таких показателей относятся ионный состав и общее солесодержание, цветность, запах и привкус, жесткость, щелочность, содержание железа и марганца.
В зависимости от назначения воды требуется разное ее качество. Например, соли жесткости в концентрации до 7 мг-экв/л не оказывают влияния на качество питьевой воды, но вода с такой жесткостью не пригодна для питания паровых котлов. Мутность более 1,5 мг/л ухудшает органолептические свойства питьевой воды и оценивается населением не только с эстетической точки зрения, но и как свидетельство возможной опасности такой воды в санитарном отношении, тогда как в воде, используемой для восполнения потерь из систем охлаждения промышленных агрегатов, допускается мутность, в десятки раз большая.
Требования к качеству воды, используемой в технологических процессах, очень различны и определяются характером производства. Например, на первых стадиях обработки кожи можно использовать природную воду без предварительной очистки при единственном условии: концентрация взвешенных веществ в ней не должна превышать 500 мг/л. В пищевой промышленности используют только питьевую воду, а при производстве многих лекарственных препаратов требуется дистиллированная вода, не содержащая солей.
Особенно строго нормируется качество питьевой воды. Стандартизация качества воды коммунальных водопроводов
является одним из важнейших профилактических мероприятий, направленных на предотвращение возникновения и развития среди населения заболеваний инфекционной и неинфекционной природы. ГОСТ 2874—82 качество питьевой воды оценивается комплексно тремя группами нормативов, соблюдение которых обеспечивает благоприятные органолептические свойства воды (органолептические показатели), безвредность ее химического состава (санитарно-токсикологические показатели) и эпидемиологическую безопасность воды (бактериологические показатели).
Органолептические свойства питьевой воды нормируются следующим образом:
по интенсивности их восприятия органами чувств человека:
запах и привкус 2бал-
цветность . 20град,
мутность 1,5мг/л
по концентрации веществ, обеспечивающих благоприятные органолептические свойства воды:
сухой остаток . .<1000 мг/л
хлориды.<350"
сульфаты . . <500”
железо .. . <0,3”
общая жесткость<7 мг-экв/л
В отдельных случаях допускается использование воды с сухим остатком до 1500 мг/л и жесткостью до 10 мг-экв/л.
Санитарно-токсилогическими нормативами ограничивается концентрация в воде химических веществ, мг/л:
встречающихся в природных водах: бериллий 0,0002
молибден0,5
мышьяк0,05
нитраты 10
свинец0,1
стронций 2
селен 0,001
фтор0,7— 1,5 (в зависимости от климатической зоны)
добавляемых к воде в процессе ее обработки: полиакриламид, остаточный2
А1+ , остаточный0,5
Санитарно-эпидемиологическая безопасность питьевой воды обеспечивается при соблюдении следующих требований:.
общее число бактерий в 1 мл неразбавленной воды . . . . ^100 число бактерий группы кишечной палочки, определяемой на среде Эндо с предварительной концентрацией бактерий на мембранных фильтрах (коли-индекс)^3
Обеспечение требуемого качества воды возможно только при условии правильного выбора методов очистки и подготовки воды в соответствии с качеством ее в источнике водоснабжения. При подготовке питьевой воды в источниках водоснабжения нормируется содержание хлоридов, сульфатов и общее солесодержание (по сухому остатку) в соответствии с ГОСТ 2874—82, поскольку на очистных станциях коммунальных водопроводов не предусматривается опреснения воды.
Если качество воды в источнике водоснабжения позволяет подавать ее потребителю после обеззараживания без какой-либо предварительной очистки, коли-индекс воды источника не должен превышать 1000. При полной очистке воды допускается значение кали-индекса в источнике водоснабжения до 10 тыс. Вода источника водоснабжения не должна содержать веществ, которые ухудшают качество воды, но не могут быть удалены из нее современными методами. Если загрязнения природной воды можно устранить тем или иным способом, то концентрация этих загрязнений должна соответствовать эффективности применяемых методов обработки. При несоответствии качества воды в источнике требованиям ГОСТ 2761—84 хотя бы по одному из показателей или при коли-индексе более 10 тыс. необходимо обеспечить дополнительную обработку воды специальными методами, гарантирующими требуемое ее качество.
Рассмотрим несколько примеров оценки качества воды различного состава.
Пример 1. По результатам определения ионного состава воды оценить ее качество и пригодность для питьевых целей, если по остальных показателям вода удовлетворяет требованиям ГОСТ 2874—82.
Концентрация, мг/л
Na+ 23СГ 42,5
К+ 1,2SO? 52
Са2+46,8НСОз 124,6
Mg2+ 12,2
Решение. Результаты определения ионного состава воды позволяют вычислить ряд показателей, по которым оценивается ее качество. Прежде всего
по суммарной массе катионов и анионов можно определить общее солесодер-
жание. При расчете следует учесть, что в величину солесодержания, опреде
ляемого аналитическим путем, войдет только половина концентрации бикарбонатов, так как в соответствии с реакцией 2НСОЗ-*СО$ + НгО + СОг бикарбонаты переходят в карбонаты с выделением СОг. Тода величина сухого
прокаленного остатка составит 23 + 1,2 + 46,8 + 12,2 + 42,5 + 52 + 124,6/2 -
*240мг/л, что позволяет считать эту воду пресной (солесодержание
< 1 г/л). Степень минерализации воды средняя (солесодержание 200—500 мг/л).
Наличие в воде катионов кальция и магния позволяет подсчитать жесткость воды. Общая жесткость определяется суммарной концентрацией этих катионов в мг-экв/л и составляет: 46,8/20,04 + 12,2/12,16 * 3,34 мг-экв/л. Жесткость анализируемой воды в основном обусловлена катионами кальция. Если выразить концентрацию ионов НСОз тоже в мг-экв/л, можно оценить характер жесткости [НСОЗ] “ 124,6/61,018 - 2,04 мг-экв/л. Суммарная концентрация ионов кальция и магния (3,34) больше концентрации бикарбонатов. При этом условии карбонатная жесткость равна концентрации ионов НСОз, т.е. 2,04 мг-экв/л. Некарбонатная жесткость определится как разность общей и карбонатной жесткости и составит: 3,34 - (2,04 — 1,3) мг-экв/л. Вода с общей жесткость 3,34 мг-экв/л считается мягкой. Кипячение воды с таким соотношением карбонатной и некарбонатной жесткости приведет к умягчению воды в результате устранения карбонатной жесткости. Щелочность воды в данном случае оказывается равной концентрации бикарбонатов (2,04 мг-экв/л), поскольку анионы других слабых кислот отсутствуют.
Вода электронейтральна, поэтому суммарные концентрации катионов и анионов должны быть равны. Сопоставим эти величины, выразив концентрации ионов в мг-экв/л:
23/22,997 + 1,2/39,1 + 46,8/20,04 + 12,2/12,16 - 4,37;
124,6/61,018 + 52/48,033 + 42,5/35,46 - 4,32.
Полученные результаты показывают, что анализ воды выполнен очень точно. Таким образом, можно считать, что анализируемая вода пригодна для питьевых целей.
Пример 2. Для бактериологического анализа через мембранные фильтры профильтровано 10 мл воды до хлорирования и 500 мл хлорированной воды. Определить коли-индекс и эффективность процесса обеззараживания, если при выращивании на среде Эндо в первом случае на фильтре обнаружено 28 специфических колоний, а во втором — 3. Оценить пригодность такой воды для питьевых целей.
Решение. Считается, что каждая колония, обнаруженная на фильтре, выросла из одной клетки. Таким образом, в 10 мл исходной воды находилось 28 клеток, а в 500 мл хлорированной воды — 3 клетки. Коли-индекс для первой и второй проб воды будет соответственно равен: 28-1000/10 * 2800 и 3-1000/500 * 6. Эффективность обеззараживания составит: (2800 — - 6)100/2800 - 99,8%. Эффективность хлорирования воды оказалось досгано высокой.
Численное значение эффективности процесса обеззараживания достаточно высокое, однако воду нельзя считать пригодной для питья, так как ее коли-индекс больше установленного ГОСТ 2874—82 в 2 раза.
Пример 3. Сравнить качество воды двух источников по приведенным данным.
Показатель|
Водоисточник 1
Водоисточник 2
Сухой прокаленный остаток, мг/л
1230
835
Концентрация ионов, мг/л: №+
391
21
Са2+
22
148
Mq2+
20
52
НСО5"
178
302
SO2-
346
142
сГ4
350
160
Р)2+
5,6
0,2
Fh
1,9
0,5
Жесткость общая, мг-экв/л
2,94
11,6
Коли-индекс
0
2,5 -103
Решение. Из приведенных в таблице показателей качества воды в водоисточнике нормируются величина плотного остатка, концентрации сульфатов и хлоридов. По этим показателям вода источника 2 пригодна для коммунального водоснабжения, тогда как для использования источника 1, где сухой остаток превышает 1000, но менее 1500 мг/л, требуется разрешение санитарно-эпидемиологической службы. Кроме того, содержание хлоридов в этом источнике составляет максимально допустимую величину.
В источнике 1 вода очень мягкая, а жесткость воды источника 2 выше допустимых стандартом величин, поэтому требуется ее умягчение. В отличие от водоисточника 1, где бактериальные загрязнения отсутствуют, вода источника 2 имеет достаточно высокий коли-индекс, поэтому на станции должно быть предусмотрено обеззараживание воды. Кроме того, при использовании воды источника 1 потребуется ее обезжелезивание и обесфторивание, так как концентрация этих соединений превышает допустимые значения. Наоборот, воду источника 2 необходимо фторировать, так как отсутствие фтора в питьевой воде недопустимо.
Таким образом, анализ приведенных данных показывает, что вода обоих источников требует соответствующей предварительной обработки, после чего может быть использована для водоснабжения.
СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Достаточно полная оценка качества сточных вод может быть сделана только на основании сопоставления всех показателей санитарно-химического анализа. Однако в зависимости от цели выполнения анализа из общего перечня его показателей преимущественное значение приобретают те или иные определения. Например, для оценки целесообразности отстаивания сточных вод основными показателями состава вод являются взвешенные и оседающие вещества, характеризующие седиментационные свойства нерастворенных примесей воды. БПКполн , ХПК и
соотношение этих величин позволяют оценить возможность и глубину биологической очистки. Чтобы определить эффективность работы того или иного сооружения, выполняют анализ проб воды до и после обработки по всем изменяющимся показателям. Общую оценку степени загрязненности бытовых и городских сточных вод можно сделать, зная БПКполн и взвешенные вещества. Если концентрация сточных вод по названным показателям ^ 100 мг/л, их относят к слабозагрязненным; при концентрации до 500 мг/л сточные воды имеют среднюю степень загрязненности; высококонцентрированными считают сточные воды с концентрацией более 500 мг/л. Такая классификация условна и неприменима для большинства производственных сточных вод, так как они могут содержать значительное количество загрязнений молекулярной и ионной степени дисперсности, не окисляемых биохимическим путем. Для общей оценки степени загрязненности таких вод необходимо, кроме того, определение ХПК и специфических видов загрязнений.
Концентрация бытовых сточных вод по раду показателей может быть определена расчетным путем. Такие расчеты широко используются при проектировании очистных сооружений и основаны на том, что от каждого жителя в систему водоотведения поступает в сутки определенное количество загрязнений (г/сут). Зная нормы водоотведения (а) и загрязнения по отдельным показателям (б) на одного человека легко подсчитать концентрацию сточной воды (в), мг/л, по формуле: в = 61000/а. В СНиП 2.04.03—85 приняты следующие нормы загрязнений в г/сут, поступающих в систему водоотведения от каждого жителя:
БПКполн75хлориды9
взвешенные вещества . . 65N—NH^8
фосфатыРгО53,3ПАВ 2,5
Приведенные ниже примеры показывают, как можно использовать данные санитарно-химического анализа и нормативных документов для оценки состава сточных вод. Более подробно многофункциональность санитарно-химического анализа и его возможности рассмотрены в примере 7.
Пример 4. Определите концентрацию бытовых сточных вод по БПКполн, взвешенным веществам, азоту и фосфору при норме водоотведения 150 и
350 л/чел.-сут. Оцените общую степень загрязнения и рассчитайте соотношение БПКполн-N:P.
Решение. Концентрацию бытовых сточных вод рассчитаем, воспользовавшись нормами загрязнений на 1 жителя по каждому из указанных в условии примера показателей. При заданных нормах водоотведения концентрация сточных вод окажется следующей:
150 л/чел.-сут350 л/чел.-сут
БПКполн 500214
взвешенные вещества . 433186
N^NH? 53,323
фосфор (Р)9,64,1
Норма по фосфатам (3,3 г/сут) приведена в СНиП 2.04.03—85 в расчете на P^Os. Для ее пересчета на фосфор (Р) необходимо умножить норму на отношение двух атомных масс фосфора к молекулярной массе Р2О5: 3,3'62/142 - 1,44 г/сут и затем по норме водоотведения рассчитать концентрацию по Р. Проведенные расчеты показывают, что при норме водоотведения 150 л/чел.- сут концентрация бытовой сточной воды по БПКполн достигает границы перехода от средней степени загрязненности к высококонцентированным сточным водам. Близко к этой границе и содержание взвешенных веществ. Увеличение нормы водоотведения до 350 л/чел.-сут резко снижает концентрацию сточных вод по всем показателям. Отношение БПКПоли’.М:Р при норме водоотведения 150 л/чел.-сут составляет 500:53,3:9,6, а при 350 л/чел.-сут — 214:23:4,1. Для сравнения полученных результатов рассчитаем количество азота и фосфора, приходящееся на каждые 100 мг БПКполн, для чего первое соотношение разделим на 5, второе — на 2,14. Результат в обоих случаях будет одинаковым 100:10,7:1,92. Тот же результат можно получить и не рассчитывая концентрацию сточных вод, а взяв отношение норм загрязнения по БПКполн, азоту и фосфору. По СНиП 2.04.03—85 для успешной биологической очистки необходимо обеспечить на каждые 100 ч. БПКполн 5 ч. азота и 1 ч. фосфора. В бытовой сточной воде биогенных элементов всегда достаточно и добавка их не требуется, хотя после первичного отстаивания соотношение БПКполн и фосфора изменяется. .
Пример 5. По данным санитарно-химического анализа оцените состав двух проб сточной воды.
Показатель, мг/л
1 I проба | П проба
ХПК
БПКполн
Взвешенные вещества Потери при прокаливании Оседающие вещества
370380
290195
240110
15699
16020
2750
Фосфаты (Р)
Сухой остаток
3,50
800820
Решение. Прежде всего следует отметить, что общее количество примесей в обеих пробах воды практически одинаково, о чем свидетельствуют очень близкие результаты определения в них сухого остатка и ХПК. Однако характер
примесей и их фазово-дисперсно^ состояние отличаются. В первой пробе на долю веществ, находящихся в растворенном состоянии, приходится (800 — 240) - 560 мг/л, а во второй — (820 — 110) - 710 мг/л. Так как потери при прокаливании сухого остатка не приведены, судить о соотношении органических и минеральных примесей в общей массе загрязнений невозможно. Оценить это соотношение можно лишь для нерастворенных примесей. В первой пробе нерастворенные примеси содержат 65% (156 мг/л) органических и 35% (240 — 156-84 мг/л) минеральных загрязнений. Эти примеси обладают хорошими седиментационными характеристиками, о чем свидетельствует отношение оседающих и взвешенных веществ, составляющее 160/240 - 0,67. Во второй пробе 90% (99 мг/л) нерастворенных примесей приходится на долю органических веществ. При этом простое отстаивание не приводит к существенному осветлению воды, так как только 20 из 110 мг/л нерастворенных примесей (или 18%) способны перейти в осадок за 2 ч отстаивания.
Для обеих проб отношение БПКполн/ХПК больше 0,5. Это позволяет говорить о возможности применения метода биологической очистки. Однако возможная глубина процесса очистки окажется существенно различной, так как в первой пробе к биохимическому окислению способны 290/370 - 0,784 (или 78,4%), а во второй — только 51,3% веществ, оцениваемых величиной ХПК. Кроме того, в первой пробе биогенные элементы не будут лимитировать процесс очистки, так как отношение БПКполн^:Р составляет 100:9,3:1,2. Во второй пробе сточной воды при избытке азота отсутствует фосфор. Для биологической очистки такой воды потребуется добавка солей фосфора.
Пример 6, В производственной сточной воде сухой остаток составил 1600 мг/л, а потери при прокаливании — 700 мг/л. Сухой остаток анализировали по методу сжигания и установили, что беззольное вещество имеет состав: C-48%,H-5%,N-14%,0-32%. Найти среднестатическую формулу органических примесей воды и значение ХПК расчетной.
Решение. Для нахождения среднестатической формулы или соотношения элементов в органической части сточной воды необходимо процентное содержание каждого элемента разделить на его атомную массу:
С - 48/12 - 4; Н - 5/1 - 5; N - 14/14 - 1;
О - 32/16 - 2.
Очевидно, что полученные значения показывают, сколько частей каждого элемента присутствует в исследуемом органическом веществе, т.е. его условную формулу можно записать в виде C4H5NO2.
Для определения концентрации сточной воды по ХПК находим ХПКуд органических веществ:
2C4H5NO2 + 702 - 8СО2 + 2Н2О + 2NH3;
ХПКуд - 7.32:(8.12 + 10.1 + 2.14 + 4.16) - 1,13 мг/мг.
Так как потери при прокаливании сухого остатка составляют 700 мг/л, можно считать, что концентрация сточной воды по ХПК составит:
1,13 мг/мг . 700 мг/л - 791 мг/л.
Пример 7. Проанализировать санитарно-химические показатели сточной воды, представленные в таблице, где даны показатели за один месяц эксплуатации очистной станции — средние из трех среднесуточных анализов. Ливневые стоки на очистную станцию не поступают.
Показатель
поступивш ци
без добавления
Сточная।
ая на стан- кз
с добав ленны м в нее илом
вода
после очис1
механической
гки
биологи ческой
Температура, °C
15,1
—
14,5
14.5
pH
Оседающие вещества, мг/л:
7,4
7.6
Л7
по объему
5,3
—
1,9
—
" массе Взвешенные вещества, мг/л:
126
154
54
—
при 105 °C
199
224
115
13,5
" прокаливании ВПК 5, мг О2/л :
147
—
84
8
натуральной пробы
192
—
154
12,4
п ро бы, отстое мной в цилиндре
126
—
118
9,2*
ХПК, мг О2/л
380 к
—
—
178
Фосфор (в пересчете на Р2О5) , мг/л Азот, мг/л:
8,1**
7.1
1,8
общий
36**
—
“29
аммонийный
28
—
27
26
нитритный
0
—
—
1.1
нитратный
0
-
—
0
Эфирорастворимые вещества, мг/л
63
—
12
СПАВ, мг/л
3,5
—
—
2,1
Хлориды, мг/л
108
—
108
115
Железо, мг/л
Число колоний, тыс/мл:
5,6
—
4,9
0R
на МПА
950
—
424
58
’* Эндо
75
—
29
5,4
Растворенный кислород, мг/л
0
/
—
5,7
* Проба профильтрованная через бумажный фильтр, ** Проба, отстоем нал в цилиндре.
Решение. На очистную станцию поступала вода средней степени загрязненности: концентрация взвешенных веществ и БПК5 исходной воды не превысили 200 мг/л.
Оценим состав поступающих стоков по содержанию в них загрязнений бытового и производственного происхождения. Как правило, состав поступающего на очистную станцию стока известен, однако он непостоянен вследствие неравномерности выпуска сточных вод предприятиями, периодических сбросов сильно загрязненных вод, изменений в технологии производства и т.п. Таким образом, действительное соотношение количеств загрязнений, пос-
тупивших от населения и промышленных предприятий, обычно неизвестно. Во время работы очистной станции может нарушаться и процесс очистки.
Для поставленной задачи нет строгого решения, однако попытка расшифровки состава стока представляет определенный интерес.
Для решения воспользуемся правилом определения нормы водоотведения по известным нормам загрязнения на жителя. Подсчет сводится в таблицу.
Показатель
Концентрация загрязнений, мг/л
Норма на 1 Жителя
Загрязнений, г/сут
водоотведения, л/сут
Взвешенные вещества
199
65
330
Бпклолн Хлориды
222
75
340
110
9
82
Фосфаты
8.1
3.3
410
Азот аммонийный
26
8
290
СПАВ
3.5
2,5
720
Из таблицы видно, что величины вычисленной условной нормы водоотведения колеблются в широких пределах — от 82 до 720 л/сут на 1 жителя в зависимости от того, по какому виду загрязнений они определены. Наибольшие отклонения имеют величины условной нормы, подсчитанные по хлоридам и СПАВ. Низкая условная норма, вычисленная по хлоридам, объясняется их высокой концентрацией в сточной воде, которая может возникнуть по двум причинам: либо концентрация хлоридов высока в водопроводной воде, что допускается ГОСТом, либо отдельные предприятия спускают в систему городской канализации в больших количествах рассолы. Наиболее вероятна первая причина, т.е. фоновая концентрация хлоридов в питьевой воде находится на уровне 50—100 мг/л.
Условная норма, вычисленная по СПАВ, настолько высока, что не отвечает на сегодня условиям городского водоснабжения, даже если включить расход воды промышленными предприятиями. Если учесть при этом, что многие промышленные предприятия также используют СПАВ в технологии производства и, следовательно, сбрасывают их после отработки в канализацию, то наиболее вероятной причиной столь большого отклонения от средних величин можно считать то обстоятельство, что населением не использовались СПАВ в количествах, принятых в нормах загрязнений на жителя.
Если исключить из дальнейшего рассмотрения эти две крайние цифры, то можно видеть, что колебания величин условных норм по остальным показателям — от 290 до 410 л/сут на 1 жителя — все еще остаются достаточно большими и составляют более 140% меньшей величины. Такие колебания и есть доказательство того, что в систему канализации поступают не только бытовые, но и производственные стоки. В самом деле, если бы колебания величин вычисленных норм были меньше и не превышали, например 25%, то можно было бы считать, что сточная вода — только бытового происхождения. Действительно маловероятно, что все предприятия сбрасывают в канализацию загрязнения, описываемые разными показателями анализа, точно в тех же пропорциях, которые характерны для бытовой воды. Следовательно, если колебания величин вычисленных норм выходят за разумные пределы, то,
очевидно, в канализацию поступают смешанные воды — бытовые и производственные.
Продолжим рассмотрение отчетных данных.
В поступающей сточнбй воде присутствовало значительное количество нерастворенных примесей — концентрация взвешенных веществ составила 199 мг/л. Из этого количества 126 мг/л, или 63,5%, составили оседающие вещества, представляющие собой такую часть взвешенных частиц, которая при отстаивании в лабораторных условиях, в условиях покоя оседает на дно отстойного сосуда.
В сточную воду перед первичными отстойниками добавили активный ил в количестве 224—199 - 25 мг на 1 л. За счет этой добавки количество оседающих веществ увеличилось на 154—126-28 мг. Весь добавленный ил, таким образом, в условиях опыта осаждается. Разницу в 3 мг можно в расчет не принимать, ибо она может быть следствием несоответствия проб по времени их отбора. Однако если такая разница наблюдается систематически, то предполагается наличие флокулирующего действия добавляемого ила. Следовательно, на соотношение величин концентраций взвешенных веществ в сточной воде до и после внесения в нее ила следует обратить внимание при анализе данных в другие периоды эксплуатации.
После добавления ила оседающие вещества составили несколько больший процент от взвешенных — 69%, чем до добавки ила. Отметим здесь же, что результаты лабораторного анализа оседающих веществ по объему не позволяют судить об ожидаемом в натуре объеме образующегося осадка. В самом деле, в рассматриваемом случае 126 мг оседающих веществ занимают объем 5,3 мл в 1 л, что при плотности осадка в 1 г/л соответствует влажности:
Вл * (5300 — 126):(5300 • 1) - 0,976(97,6%).
Поскольку влажности осадка из первичных отстойников обычно не превышает 92—94%, его объем меньше замеренного в лабораторных условиях в 2,5—3,5 раза.
В 1 л осветленной воды (т.е. воды после первичного отстаивания) осталось 115 мг взвешенных веществ, из которых оседающие вещества составляют 54 мг, или 47 %. Снижение процента оседающих веществ от взвешенных закономерно и свидетельствует о том, что в осветленной воде остается более легкая, мелкая, труднооСедаемая взвесь. Эффективность осветления воды по взвешенным веществам 49 % (или 41 % по отношению к начальной концентрации — 199 мг/л) и по оседающим 65% (или 57% по отношению к начальной концентрации — 126 мг/л) характерна для удовлетворительно работающих первичных отстойников.
Из 199 мл взвешенных веществ потери при прокаливании составили 147 мл, что соответствует ожидаемой зольности осадка около 26% (199—147)/199 - 0,261. Истинная зольность осадка должна быть несколько выше указанной цифры вследствие попадания в него мелкого песка, который не улавливается в песколовках и оседает вместе с осадком в первичных отстойниках. В пробу, отбираемую на анализ воды, песок не попадает. Несовпадение вычисленной величины зольности и определяемой прямым анализом — следствие, кроме того, несоответствия анализируемых проб воды и осадка (по времени их отбора), а также загрязнения песка органическими примесями. Все факторы в целом обусловливают отклонение вычисленной величины от найденной анализом на 5—6%.
После отстаивания соотношение зольной и беззольной частей во взвешенных веществах практически не изменилось. Зольность этих веществ, посту па-
ющих в сооружения биологической очистки, равна (115— 84)/115-0,27(27%).
Для городских сточных вод зольность образующегося активного ила почти не отличается от зольности взвешенных веществ в обрабатываемой воде, поэтому можно считать, что зольность активного ила составит в данном случае 25— 30%. В то же время эта величина, определенная из данных отчетной таблицы, оказывается равной: (13,5—8)/13,5 - 0,41(41%). Это несовпадение цифр объясняется только трудностью точного выполнения анализа на зольность при малом количестве прокаливаемой взвеси.
Если сопоставить величину БПК$ и взвешенных веществ в воде, поступающей на сооружения механической очистки и прошедшей их, то можно увидеть, что это соотношение заметно увеличилось. Это свидетельствует о том, что взвешенные вещества, удаляемые в процессе отстаивания, биологически окисляются с трудом (в аэробных условиях), а наибольшая доля БПК приходится на загрязнения, находящиеся в воде в виде коллоидно растворенных и истинно растворенных веществ.
Из данных таблицы нетрудно убедиться в справедливости высказанного утверждения, а также уяснить способ подсчета БПК разных фракций загрязнений.
Сточная вода или взвешенные вещества
Взвешенные вещества, мг/л
БПК, мг/л
Отношение БПК5 к взвешенным веществам
Вода, поступающая на станцию
199
192
0,97
Вода, отстоенная в лабораторных условиях
199-126=73 126
1,73
Вода, осветленная в первичных отстойниках
115
154
1,34
Взвешенные вещества, осевшие в отстойниках
224-115=
-■=109
192+6* — -154=44
0,4
То же, в цилиндрах
192
192-126= =66
=. 0,52
Оседающие вещества осветленной воды
126
154—118=
=36
=0,67
Активный ил
154
12,4-9,2 = =3,2
=0,24
•Соответствует расчетной БПК5 добавляемых 25 мг ила на 1 л (0,25 х х25=6).
Из результатов расчетов, приведенных в таблице, видно, что оседание взвешенных веществ в лабораторных условиях и натурных сооружениях различно как по количеству, так и по качеству и, кроме того, чем крупнее и тяжелее выпадающие частицы, тем менее они окисляются биологически в аэробных условиях. Малая величина удельной БПК ила объясняется иными причинами. Ил из аэротенков, где происходит нитрификация (это фиксируется наличием нитритов в очищенной воде), глубоко минерализован биологически, и дальнейшее его окисление происходит с трудом.
Из общей БПК5 исходной воды, равной 192 мг/л, на долю крупных выпадающих частиц приходится 66 мг/л, или 34%. На 73 мг/л неосецающих веществ приходится (ориентировочно) 73 0,52- 38 мг/л (или 20%). Таким образом, на примеси, находящиеся в растворенном и коллоидном состояниях, остается: 192—(66+38) - 88 мг/л (46%).
В сточной воде после отстаивания и частичного изменения ее состава вследствие добавки ила соотношения меняются. Так, из общей БПК5, равной 154 мг/л, на долю тонких оседающих веществ приходится приблизительно 36 мг/л, на долю неоседающих — 41 мг/л (61*0,67) и на растворенную и коллоидную фракцию загрязнений — 77 мг/л, или 50%.
На основании проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что для увеличения эффективности работы последующих сооружений отстаивание городских сточных вод — целесообразный прием обработки, так как из воды удаляются наиболее трудно биологически окисляемые в аэробных условиях взвешенные вещества. '
По ХПК поступающей и очищенной воды можно утверждать, что в воде после биологической очистки осталась значительная часть загрязнений, не утилизированная активным илом при очистке воды в аэротенках. Из общей ХПК 178 мг/л на долю частичек ила приходится примерно: 13,51,4-19 мг/л (где 1,4 — удельная ХПК активного ила). Разница в 159 мг/л указывает на наличие в очищенной воде растворенных органических примесей, биохимически окисляющихся лишь на 9,2/159 - 0,06(6%). Это означает, что в проточном водоеме, куда поступает очищенная вода, трудноокисляемые вещества будут фиксироваться на очень большом расстоянии от места сброса воды.
Интересно следующее сравнение. В поступающей воде биологически не окисляемые примеси определены в количестве ХПК—БПКполн. Как уже отмечено, БПКполн для городской воды можно ориентировочно подсчитать, принимая коэффициент пересчета 1,16. Тогда БПКполн -1921,16 - 220 мг/л. Количество биологически не окисляемых примесей (учитываемых в единицах кислорода) оказывается равным 380—220 - 160 мг в 1 л, что почти точно совпадает с величиной ХПК, зафиксированной анализом. Такие близкие значения расчетных и полученных анализом величин наблюдается не всегда, расхождение может достигать 15—25%. Следовательно, ожидаемую ХПК очищенной воды можно предсказать с ошибкой от 0 до 25%.
Из данных таблицы, к сожалению, нельзя получить полного представления о составе органических веществ, обусловливающих столь высокую остаточную ХПК очищенной воды. Можно только видеть, что в биологически очищенной воде все еще остаются различные углеводороды, определяемые как эфирорастворимые вещества, а также синтетические поверхностно-активные вещества, обычно удаляемые не более чем на 40% во всех сооружениях биологической очистки. В сумме эти группы веществ могут обусловить ХПК на уровне 30—50 мг/л (что определяется по средней удельной ХПК органических веществ в 2—3 мг/мг). Следовательно, в биологически очищенной воде находится еще достаточно большое количество неидентифицированных органических примесей.
Для успешного протекания процесса биоокисления в воде должны находиться биогенные элементы с минимальным количеством, удовлетворяющим соотношению: БПК:Ы:Р-100:5:1.
Из таблицы следует, что на биологическую очистку поступала вода с БПК5, равной 154 мг/л, с содержанием азота аммонийных солей 27 мг/л и фосфатов (в пересчете на Р2О5) 7,1 мг/л. Для сравнения указанных величин с
рекомендуемыми нужно БПК5 перевести в БПКполн (принимаем К* 1,16), а фосфаты — из единиц Р2О5 в единицы Р. Для перевода фосфатов в единицы фосфора и концентрацию нужно умножить на 0,437 (расчет по молекулярным массам): 7,1'0,437-3,1 мг/л.
Таким образом, в анализируемом случае соотношение равно: БПКполн^:Р - 179:27:3,1 - 100:15:1,7, Из этого следует, что потребности микроорганизмов в азоте и фосфоре обеспечены сверх нормы и, следовательно, можно в систему канализации подавать производственные стоки, лишенные этих элементов.
Если сравнить цифры норм и действительного снижения концентрации фосфора, то можно увидеть, что удаление фосфора оказалось более значительным, чем следует из рекомендуемого соотношения (7,1 — 1,8) 0,437 * 2,3 мг/л при снятой БПКполн: 178 — 12,4-1,67 *157 мг/л (здесь 1,67 — коэффициент пересчета БПК$ в БПКполн для биологически очищенной воды). Таким образом, имеем: 157:2,3- 100:1,5. Следовательно, на каждые 100 мг/л БПКполн удаляется фосфора 1,5 мг/л вместо 1 мг/л по норме.
Результат этот закономерен, поскольку удаление фосфора при биологической очистке происходит как вследствие биохимических, так и хе- мосорбционных процессов. Отметим также, что в процессе биологической очистки удаление фосфатов составило 75%, а при простом отстаивании — всего 12%.
Что касается удаления азота, то для полноты суждения здесь не хватает данных о приросте ила и содержании в нем азота в белковой форме. Для составления баланса по азоту необходимы учет и сопоставление азота в поступающей и очищенной воде во всех его формах — органического, аммонийного, нитритного и нитратного, а в иле — белкового. Из ориентировочного расчета видно, что удавление азота с избыточным илом составляет примерно 9 мг/л, что почти совпадает с ожидаемым удалением азота, равным 8 мг/л.
По данным анализа в поступающей воде не зафиксировано присутствие ингибиторов процесса в концентрациях выше предельно допустимых. Так, концентрация СПАВ не превышает допустимых норм: концентрация железа, равная 4,9 мг/л, в воде, поступающей в аэротенки, также менее ПДК, равной для железа 8 мг/л.
Очищенная вода имеет достаточный запас растворенного кислорода, что позволяет выполнить требования санитарных правил по спуску сточных вод в открытые водоемы. В то же время в очищенной воде все еще остаются бактериальные загрязнения, что вызывает необходимость обеззараживания воды. Снижение бактериальной загрязненности в целом на очистной станции очень высокое — 93%, при этом с осадком из первичных отстойников удаляется от 50 до 60% бактерий всех видов, в том числе бактерий группы кишечной палочки, поэтому все виды осадков очистной станции также нуждаются в обработке с целью обеззараживания.
По отчетным данным можно видеть, что в процессе очистки произошло незначительное охлаждение воды, что естественно, так как в зимнее время года температура наружного воздуха значительно ниже температуры поступающей воды, а очистные сооружения обычно представляют собой открытые резервуары с большой площадью поверхности воды. Небольшое повышение реакции среды характерно для процесса биологической очистки.
В целом можно отметить, что получена вода удовлетворительного качества (БПК5 очищенной воды низкая — 9,2 мг/л), при этом зафиксировано начало второй стадии биологического окисления — нитрификации.
Проведенное рассмотрение отчетных данных санитарно-химического анализа сточных вод до и после их очистки позволяет убедиться в том, что каждый показатель состава воды имеет не только самостоятельное значение, но и определенным образом увязан со многими другими показателями. Комплексная оценка ряда показателей дает возможность судить об эффективности процесса очистки в целом и роли каждого сооружения в удалении загрязнений различных фракций (Здесь не ставилась задача технологического анализа работы сооружений, а рассматривался вопрос изменений в составе воды в процессе ее очистки.)
Рассмотренное решение не следует принимать за исчерпывающую схему оценки данных лабораторного анализа, а лишь как методическое руководство к решению подобных задач.
Вопросы для самоконтроля
Перечислите основные факторы, влияющие на формирование состава воды подземных и поверхностных водоисточников.
На какие группы можно разделить природные воды в зависимости от общего содержания солей и количественных соотношений между ионами?
Перечислите, из каких химических компонентов складывается минеральная часть природных вод.
Какие соединения составляют основную часть органических примесей природных вод? Что понимают под термином "1умус"?
Что подразумевают под качеством воды? *
Какие показатели качества называются органолептическими?
Какие примеси природной воды обусловливают ее запах и вкус?
Какие микроорганизмы могут влиять на органолептические показатели качества воды?
Какие показатели качества воды изменяются в период цветения водоема?
Какие примеси обусловливают мутность воды?
Какая взаимосвязь существует между показателями мутности и прозрачности, мутности и цветности?
Какими веществами обусловлена цветность природных вод?
В чем разница между показателями "мутность" и "взвешенные вещества"?
Какие показатели качества воды изменяются при увеличении в воде грубодисперсных примесей?
По экспериментальным данным, приведенным ниже, постройте графическую зависимость прозрачности "по кресту" от концентрации взвешенных веществ:
концентрация взвешенных веществ, мг/л:20 40 60 80 120
прозрачность "по кресту", см:40 20 15 108
Определите молярные концентрации различных соединений углекислоты, если их общее содержание составляет 0,5 моль/л, а pH - 7. Для решения воспользуйтесь рис. 19.
Что означают показатели "общая" и "гидратная" щелочность?
Какие ионы обусловливают жесткость воды?
Что понимают под терминами "мягкая" и "жесткая" вода?
Определите общую, карбонатную и некарботнатную жесткость, если 1Са2+] -40 мг/л, [Mg2+] -25 мг/л, [НСОЯ -70 мг/л.
.Общая жесткость воды составляет 5 мг-экв/л, концентрация ионов кальция равна 30 мг/л. Рассчитайте массовую концентрацию ионов магния.
При каком условии наблюдается равенство показателей "щелочность" и "карбонатная жесткость"?
Перечислите основные азотсодержащие примеси природной воды.
О чем свидетельствует повышение концентрации аммонийного азота в водоеме?
Что такое перманганатная окисляемость? Наличие каких веществ обусловливает величину этого показателя?
Какие показатели качества воды можно рассчитать поданным количественного анализа ионного состава воды?
Какой показатель качества воды дает представление об общем содержании в ней солей?
Объясните причины появления в природных водоемах газов: кислорода, диоксида углерода, сероводорода, метана.
Какие показатели качества воды называют санитарномикробиологическими?
Что обозначает термин "санитарно-показательные микроорганизмы", какие требования предъявляются к ним?
Что понимают под термином "микробное число"?
Дайте определения терминам "коли-титр" и "коли-индекс".
По какому санитарно-микробиологическому показателю можно косвенно оценить степень загрязнения воды органическими веществами?
Определите микробное число, если для посева взят 1 мл воды, предварительно разведенной в 100 раз, а в чашке Петри после инкубации выросло 40 колоний.
Какая из двух проб более опасна в санитарно-эпидемиологическом отношении: 1) микробное число — 500, коли-титр — 200; 2) микробное число — 500; коли-титр — 50?
Какие цели преследует стандартизация качества питьевой воды?
Какие группы показателей качества воды приведены в ГОСТ 2874-82?
Какое значение имеет юстирование концентрации фтора в питьевой воде?
Пригодна ли вода для питьевых целей, если по всем показателям нормативы соблюдены, а из токсичных веществ обнаружены бериллий, селен, свинец в концентрациях, равных ПДК (табл. 2 ГОСТ 2874-82)?
Присутствие каких химических веществ влияет на органолептические качества питьевой воды?
Почему нормируется содержание железа в питьевой воде?
Почему нормируется жесткость питьевой воды?
Что лежит к основе классификации сточных вод?
Что понимают под термином "городские сточные воды"?
Какие цели преследует санитарно-химический анализ сточных вод?
Почему анализ называется санитарно-химическим?
Выделите из общего перечня показателей санитарно-химического анализа показатели, имеющие технологическое значение.
Технологический смысл определения температуры сточной воды.
Какие показатели санитарно-химического анализа дают представление о степени общей загрязненности сточной воды?
Какие показатели являются важнейшими технологическими характеристиками процесса отстаивания?
Что больше: сухой или плотный остаток; оседающие или взвешенные вещества?
Можно ли, зная сухой и плотный остатки, оценить концентрацию взвешенных веществ?
Какие показатели характеризуют загрязненность сточной воды органическими веществами?
Что понимают по терминами "теоретическая" и "экспериментальная" ХПК? Какая из этих величин больше?
Рассчитайте теоретическую ХПК сточной воды, содержащей 100 мг/л муравьиной кислоты, 50 мг/л ацетона и 40 мг/л метилового спирта.
Что характеризуют величины БПК5 и БПКполн? При каком условии они могут быть равны?
Что больше: БПКполн или ХПК? Могут ли они быть равными?
Что показывают отношения БПК/ХПК и разность (ХПК—БПК)?
Целесообразна ли биологическая очистка сточных вод, имеющих следующие значения показателей окисляемости:
БПК, мг/л320270630БПК, мг/л320270630ХПК, мг/л
БПК, мг/л320270630
БПК, мг/л320270630
400
780
840
Две воды, имеющие одинаковую степень загрязненности по ХПК, равную 400 мг/л, поступают на биологическую очистку. Какая из них окажется чище, если исходная величина БПКполн для первой воды составляет 325 мг/л, а для второй — 240 мг/л?
Назовите показатели, характеризующие наличие в сточной воде токсичных примесей.
В чем состоит отличие в санитарно-микробиологической оценке питьевых и сточных вод?
РАЗДЕЛ 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОДЫНА МАТЕРИАЛЫ
Г л а в а 11. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
В процессах водоподготовки и очистки сточных вод самые различные материалы постоянно контактируют с водой. Это — материалы, применяемые для строительства гидротехнических сооружений и сооружений водопровода и канализации, материалы трубопроводов, транспортирующих воду различного состава, материалы машин и механизмов, охлаждаемых водой, и т.д. В практике водоснабжения и канализации широко применяются чугун, сталь и железобетон. Активное воздействие воды на эти материалы проявляется в коррозии металлов.
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ
Коррозией называется процесс разрушения поверхности металла в результате химического или электрохимического воздействия на нее окружающей среды. Коррозия металлов в водной среде по своей природе — процесс электрохимический. Роль коррозионных агентов при этом выполняют растворы электролитов.
Химически чистая вода — очень слабый электролит (см. 2). Электропроводность природных и сточных вод значительно выше, так как они содержат достаточно много разнообразных солей, диссоциирующих в воде на ионы.
Электропроводность металлов объясняется наличием в кристаллической структуре свободных или очень подвижных электронов. При контакте металлической поверхности с водой заряженные частицы металла (катионы) могут переходить в раствор, а электроны остаются в металле. В результате водный слой, контактирующий с металлом, приобретает положительный заряд, а оставшиеся в металле некомпенсированными электроны сообщат ему отрицательный заряд. Вследствие электростатического взаимодействия разноименно заряженных водного слоя и поверхности металла перешедшие в раствор катионы металла будут удерживаться на определенном расстоянии от его поверхности.
Если бы в этой системе не происходило никаких других электрохимических процессов, дальнейший переход ионов металла в раствор бы бы невозможен, и процесс коррозии прекратился бы. Однако границе металл—электролит свойственна электрохимическая неоднородность, обусловленная как различиями в физико-химическом состоянии отдельных участков поверхности металла, так и даже незначительными колебаниями концентрации электролита и растворенных в нем газов, неодинаковостью физических условий в разных точках. Вследствие этого на некоторых участках металлической поверхности оказывается возможным взаимодействие избыточных положительных ионов раствора с избыточными отрицательными зарядами металла—электронами. Электростатическое взаимодействие заряженного раствора и металла при этом нарушается, ионы металла вновь могут поступать в раствор.
Поскольку и металл, и электролит являются сложными системами, содержащими электрические заряды, на границе металл—раствор возникает скачок электрического потенциала, который называют электродным потенциалом. Электрохимическая неоднородность границы металл-электролит приводит к тому, что электродный потенциал, возникающий на отдельных ее участках, оказывается различным. Это различие в электродных потенциалах на некоторых участках границы металл- электролит приводит к возникновению электрохимических пар (анодных и катодных участков), между которыми протекает коррозионный ток.
Электрохимическая коррозия протекает как два достаточно самостоятельных процесса:
анодный процесс, состоящий в переходе ионов металла в раствор; для железа он может быть представлен следующим образом:
[Fe2+ + 2е ] — Fe2+ + [2е~ ]; (16) металл раствор металл
катодный процесс, заключающийся во взаимодействии избыточных - электронов металла с каким-либо атомом или ионом, способным восстанавливаться; основными реакциями на катоде являются восстановление протона до газообразного водорода
2Н* + 2е' — Н + Н — Нг (17) и восстановление кислорода с образованием гидроксидионов
1/202 + Н20 + 2е" 20Н\ (18)
Анодные и катодные участки могут быть территориально разделены, так. как и металл, и раствор являются проводниками; первый обладает электронной проводимостью, второй — ионной проводимостью. Ток между анодом и катодом протекает в результате движения электронов в металле и ионов в растворе в соответствии со знаком заряда. При электрохимической коррозии разрушение металла происходит только на анодных участках, тогда как на катоде потерь металла не обнаруживается.
Процесс коррозии может замедляться в результате поляризации анода и катода. Поляризация проявляется в уменьшении разности потенциалов анода и катода, приводящем к уменьшению силы тока. Анодная поляризация возникает вследствие того, что ионы металла не успевают диффундировать в глубину электролита и накапливаются у поверхности анода. Катодная поляризация вызывается в основном торможением процессов подвода к катоду ионов, способных восстанавливаться, и отвода от него продуктов реакции.
Любое вещество, ион или атом, способствующие уменьшению поляризации, а следовательно, ускоряющие коррозию, называются деполяризаторами. Основными реакциями деполяризации катода являются реакции (17) и (18). Совокупность выражений (16) и (17) символизирует процесс коррозии с водородной деполяризацией. В этом случае атомы водорода образуют на катоде молекулы Н2, которые, собираясь в виде пузырьков, отрываются от поверхности катода, освобождая ее и способствуя тем самым дальнейшему протеканию коррозии. Уравнения (16) и (18) в сумме описывают процесс коррозии с окислительной или кислородной деполяризацией.
На рис. 21, а показана схема коррозии железа в не- аэрируемой среде. Процесс коррозии протекает с водородной деполяризацией, сопровождающейся увеличением pH на катодных участках вследствие разряда ионов Н+. Теоретически при pH >5,5 оказывается возможным образование Fe(OH)2 и осаждение его на поверхности металла с образованием защитной пленки, препятствующей дальнейшему распространению коррозии. На практике защитные свойства гидроксида двухвалентного железа оказываются достаточно низкими, так как он легко смывается током воды. Тем не менее в щелочной среде, когда кон-
Рис. 2L Схема процесса коррозии
а — в неаэрируемой среде; б — в аэрируемой среде
центрация ионов Н+ оказывается недостаточной для поддержания катодной реакции, процесс коррозии не так опасен, как в кислой среде.
Коррозия в аэрируемой среде (рис. 21, б) протекает в соответствии с уравнениями (16) и (18). Подщелачивание среды у катода происходит в результате непосредственного образования гидроксид-ионов. При наличии растворенного кислорода в среде образующийся гидроксид двухвалентного железа окисляется до Ре(ОН)з — соединения малорастворимого, способного образовывать более стойкую защитную пленку, чем Fe(OH)2.
Кислород в процессе коррозии выполняет двоякую функцию: с одной стороны, он является очень активным деполяризатором и ускоряет процесс коррозии, с другой, — участвуя в окислении Fe(OH)2, способствует образованию защитной пленки Fe(OH)3 на аноде, т.е. замедлению коррозии. По этим причинам суммарное действие кислорода на развитие процесса коррозии может быть различным в зависимости от условий. Как и при коррозии с водородной деполяризацией, повышение значения pH способствует замедлению процесса коррозии.
Величина электродного потенциала, возникающего на поверхности железа, контактирующего с водой, в значительной степени зависит от концентрации кислорода, так как железо относится к металлам, способным пассивироваться. Даже при очень небольшой разнице в притоке кислорода к различным участкам металлической поверхности на ней возникают зоны с различной степенью аэрации, а следовательно, с различным электродным
потенциалом. Та часть поверхности, к которой приток кислорода больше, становится более пассивной, потенциал ее выше, следовательно, она будет работать как катод. Участок с более слабой аэрацией станет анодным.
Таким образом, на поверхности металла в результате различия в степени аэрации возникают электрохимические пары, называемые парами дифференциальной аэрации. Разница в электродных потенциалах таких пар очень невелика и может составлять всего несколько милливольт, однако коррозия, вызываемая ими, не меньше, а для железа даже больше, чем от обычных электрохимических пар.
ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИНТЕНСИВНОСТЬПРОЦЕССА КОРРОЗИИ
На скорость и интенсивность коррозии оказывает влияние как характер обработки поверхности металла, так и состав и условия воздействия внешней среды (в рассматриваемом случае воды). Грубо обработанная поверхность активно корродирует, тогда как шлифовка и полировка металла повышают устойчивость его против коррозии. Поверхность металла может стать пассивной в результате образования на ней защитной оксидной пленки. Пассивация наблюдается при контакте металла с сильными окислителями, в том числе с кислородом.
Основными определяющимися факторами коррозии в водной среде являются углекислотное равновесие и концентрация растворенного кислорода. На интенсивность процесса коррозии влияют также концентрация солей в воде и присутствие в ней микроорганизмов.
Углекислотное равновесие. Различные соединения углекислоты в воде находятся в состоянии динамического равновесия. Практическое значение имеет карбонатно- кальциевая система равновесий, которая обусловливает такие свойства воды, как стабильность и агрессивность:
Са(НСОз)2 ^ СаСОз + СО2 + Н2О. (19) полусвязанная связанная свободная
углекислота углекислота равновесная агрессивная углекислота углекислота
В условиях равновесия концентрация свободной углекислоты в воде точно соответствует тому ее количеству, которое необходимо для поддержания в растворе определенной концентрации гидрокарбоната кальция. Это равно-
веская углекислота. Если количество СО2 в точности отвечает равновесной концентрации, вода называется стабильной. в ней не происходит ни растворения, ни выпадения карбонатов.
Если концентрация СОг меньше равновесной, реакция (19) проходит слева направо, в результате чего карбонат кальция — соединение малорастворимое — выделяется на поверхности металла, образуя пленку с выраженными защитными свойствами.
Избыток СО2 сверх равновесной концентрации называется агрессивной углекислотой. Углекислотная агрессивность воды по отношению к металлам обусловлена понижением pH воды. Кроме того, защитная пленка карбоната кальция при контакте с агрессивной водой растворяется, что способствует развитию коррозии.
Стабильность воды оценивают рядом способов, один из которых — определение разности величин pH исследуемой воды (рНо) и воды с равновесными концентрациями соединений углекислоты (рН$). Разность между этими величинами называется индексом насыщения: /” * рНо — pHs. Если 1«0, вода считается стабильной; при 1>0 вода способна выделять карбонат кальция; при I с 0 вода обладает коррозионными свойствами.
Концентрация солей в воде. В очень чистой деионизированной воде в присутствии кислорода скорость коррозии железа очень незначительна. Увеличение общего солесодержания повышает электропроводность воды и, таким образом, приводит к ускорению коррозионных процессов. Однако значительное повышение концентрации солей может привести к снижению скорости коррозии в результате уменьшения растворимости кислорода.
Некоторые катионы и анионы, присутствующие в воде, играют роль стимуляторов коррозии. Например, хлорид- ионы могут замещать кислород в защитной оксидной пленке, что приводит к образованию в ней пор и облегчает начало коррозии. Сульфаты ускоряют коррозию непосредственно, увеличивая электропроводность, и косвенно, способствуя развитию биологической коррозии. К числу стимуляторов коррозии относятся также ионы металлов с переменит! степенью окисления, например Си Си+, Ре3! — Ре . Они ускоряют реакцию на катоде, выполняя роль деполяризатора:
Fe3* + е" — Fe2+. (20)
В растворе Fe2+ кислородом вновь окисляется до Fe3+.
Хроматы, силикаты, гидроксил-ионы, напротив, снижают интенсивность коррозионных процессов, способствуя образованию защитных пленок на металле,
РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ
Многие виды бактерий являются активными коррозионными агентами. Наибольшее значение имеют группы бактерий, участвующих в превращениях железа и серы.
Роль микроорганизмов в процессах коррозии сводится к ускорению деполяризации катода путем ферментативного переноса электронов, выделению коррозионных продуктов обмена, образованию пар дифференциальной аэрации. В зависимости от условий механизм микробиологической коррозии может быть объяснен одним из перечисленных процессов или их совокупностью.
Железобактерии, Активными участникдми коррозии железа в водной среде являются железобактерии родов Galli onella, Crenothrix, Leptothrix. С их деятельностью связывают микробную аэробную коррозию водопроводных труб. Поселяясь в трубах, бактерии образуют на их стенках слизистые скопления, обладающие высокой механической прочностью и поэтому не смываемые током воды. Прочность этих образований обусловлена волокнистой структурой оболочек железобактерий.
Коррозия начинается с образования на внутренней поверхности трубы желтых или темнокоричневых налетов или каверн, состоящих из гидроксида трехвалентного железа. Каверны образуются, как правило, на неровностях труб. Участки труб под кавернами оказываются изолированными от воды и доступ кислорода к ним затруднен. Напротив, участки, омываемые водой, аэрируются хорошо. Таким образом, развитие железобактерий приводит к образованию на поверхности трубы зон с различной степенью аэрации. Возникновение коррозионного тока обусловлено образованием пар дифференциальной аэрации с различными значениями электродных потенциалов, устанавливающихся на участках, покрытых кавернами и свободных от них. Участки под кавернами функционируют как аноды, процесс коррозии на них описывается уравнением (16). На хорошо аэрируемых участках с более высоким потенциалом протекает катодная реакция деполяризации, описываемая уравнением (18).
Деятельность железобактерий на анодных участках приводит к окислению Fez в трехвалентное железо (см. 16) и его гидролизу. Образование гидроксида трехвалентного железа сопровождается снижением pH до 5—6, т.е. созданием коррозионной среды. Кроме того, в результате интенсивного потребления кислорода железобактериями и роста отложений Ге(ОН)з анаэробные условия на анодных участках усугубляются, что приводит к увеличению разности потенциалов между катодом и анодом, а следовательно, к ускорению процесса коррозии. Таким образом, механизм микробиологической коррозии с участием железобактерий объясняется совокупностью перечисленных выше трех процессов.
Бактерии, участвующие в превращениях серы и вызывающие микробиологическую коррозию металлических конструкций, представлены группами сульфатредуцирующих и сероокисляющих бактерий (см. 16).
Из сульфатредуцирующих бактерий основными инициаторами коррозии являются бактерии рода Desulfovibrio — строгие анаэробы, способные восстанавливать сульфаты, используя молекулярный водород. Источником углерода для них служат органические вещества. Следует отметить, что микробиологическая коррозия этого типа, как правило, является вторичным процессом и развивается вслед за обычной электрохимической коррозией. При этом под слоем ржавчины — продукта коррозии — создаются благоприятные анаэробные условия для развития сульфатредуцирующих бактерий. Необходимым условием для начала процесса является наличие сульфатов. В природных и сточных водах они всегда есть.
Суммарно процесс микробиологической коррозии с участием бактерий рода Desulfovibrio описывается следующим выражением:
4Fe2+ + SO4 + 2Н+ + 2Н2О -* Fe(OH)2 + FeS.
При этом на катоде протекает реакция
SOF+ Ме2+ + 4Н2 — S2' + Ме2+ + 4Н2О, (21) где Ме2+ — щелочной или щелочноземельный металл, компенсирующий ион SO4.
Из уравнения (21) видно, что на восстановление одного моля сульфат-иона требуется восемь атомов водорода, которые можно получить с катодного участка металлической поверхности. Ферментативный процесс переноса электронов в этой реакции с участием сульфатредуцирующих бактерий идет (по данным Бункера) в 19,5 раза быстрее,
чем при обычной коррозии, поэтому катодная деполяризация протекает чрезвычайно интенсивно, и скорость процесса коррозии серьезно возрастает. Процесс сопровождается образованием вторичных продуктов коррозии:
S2" + Fe2+ — FeS; 3Fe2+ + 6ОН" — 3Fe(OH)2.
Сульфатредуцирующие бактерии часто развиваются под массой железобактерий, обеспечивающих им строго анаэробные условия. В этом случае выделяющийся при восстановлении сульфатов сероводород вступает во взаимодействие с гидроксидом трехвалентного железа — продуктом жизнедеятельности железобактерий:
3H2S + 2Fe(OH)3 — 2FeS + S + 6H2O.
Среди бактерий, окисляющих соединения серы, важнейшими возбудителями микробиологической коррозии являются тионовые бактерии и бесцветные серобактерии. Первые окисляют серу, тиосульфаты, тионаты до серной кислоты, выделение которой в среду приводит к коррозионным процессам:
2S + ЗО2 + 2Н2О — 2H2SO4, (22)
2S2O3 + ЗО2 + 4Н2О — 4H2SO4. (23)
Кроме того, некоторые тионовые бактерии способны окислять закисное железо до окисного, которое, принимая электроны с поверхности металла, играет роль деполяризатора катода [реакция (20) ].
Бесцветные серобактерии осуществляют реакции (6) и (7) (см. 16), приводящие к подкислению среды и созданию благоприятных условий для коррозии.
ЗАЩИТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВИ КОНСТРУКЦИЙ ОТ КОРРОЗИИ
Основными способами защиты поверхности металла от коррозии являются нанесение на металлическую поверхность защитного слоя и электрохимическая защита.
Для защиты трубопроводов обычно применяют первый способ. Наружную поверхность труб защищают от коррозии нанесением слоя каменноугольной смолы. Для внутренней поверхности чугунных труб применяют битумные или полимерные покрытия, которые наносятся при изготовлении труб на заводе.
Предотвратить или замедлить коррозию можно путем предварительной обработки транспортируемой по ним воды. В этом случае к воде добавляют соответствующие реагенты, которые
обеспечивают осаждение на внутренней поверхности труб нерастворимых соединений, образующих защитную пленку. Так называемая стабилизационная обработка воды — один из самых эффективных способов борьбы с коррозией водопроводных труб. В начальный период эксплуатации водопроводной системы в воде поддерживают индекс насыщения 74),5—0,7. При транспортировании такой воды по трубам по всему их периметру откладывается слой карбоната кальция, предотвращающий непосредственный контакт воды с металлом. Для сохранения сформировавшейся защитной пленки необходимо поддерживать индекс насыщения в воде, подаваемой потребителю, близким к нулю. Для этого при необходимости воду подвергают стабилизационной обработке, заключающейся в изменении в воде соотношения концентраций полусвязанной и свободной углекислоты.
При положительном индексе насыщения воду обрабатывают соляной или серной кислотой. При этом содержание в воде ионов НСОз снижается, а концентрация СО2 возрастает согласно реакции
НСОз + н+ — СО2 + н2о, .
вследствие чего выпадение из воды карбоната кальция прекращается. .
При 7 воду подщелачивают известью или содой. В результате агрессивная углекислота связывается в ионы НСОз по реакции
СО2 + ОН’ — НСОз;
в результате такой обработки вода перестает быть коррозионной.
К числу веществ, добавление которых к воде приводит к образованию защитных пленок и торможению процесса коррозии, относятся гексаметафосфат натрия и жидкое стекло. При обработке воды гексаметафосфатом образуются малорастворимые соединения типа Са [Са2(РОз)б 1, которые цементируют коррозионные отложения, делают их плотными и малопроницаемыми для воды и кислорода. Применение жидкого стекла для защиты от коррозии основано на его способности взаимодействовать с ионами кальция и магния, присутствующими в воде, и образовывать защитную пленку, состоящую из силикатов указанных металлов.
Сущность электрохимической защиты состоит в предотвращении растворения железа на анодных участках по реакции (16) путем присоединения к системе анодов (про-
текторов), изготовленных из металлов с более отрицательным электродным потенциалом, чем защищаемый металл. Для защиты стальных конструкций могут быть использованы аноды из цинка, алюминия и их сплавов. Защищаемое сооружение выполняет роль катода, и, так как разность потенциалов протектора и сооружения больше, чем на анодных и катодных участках металлической поверхности, реакция растворения протекает на аноде-протекторе.
Универсальных средств защиты от микробиологической коррозии не существует. Описанные методы создания защитных покрытий обеспечивают изоляцию металлической поверхности от воды, а следовательно, и от микробиального воздействия. В некоторых случаях могут использоваться бактерицидные или бактериостатическое вещества. Эффективным бактериостатом для сульфатре- дуцирующих бактерий является кислород, поэтому усиление аэрации способствует замедлению коррозии, вызванной сульфатредуцирующими бактериями. Как мера предотвращения микробиологической коррозии этого типа может быть использовано подщелачивание среды (когда это возможно), так как рост и развитие сульфатредуцирующих бактерий полностью подавляется при рН*9.
ГЛАВА 12. РАЗРУШЕНИЕ БЕТОНА
И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДЫ
Бетон и железобетон являются основными материалами, используемыми в строительстве сооружений водопровода и канализации. Вода, активно воздействуя на эти материалы, вызывает их разрушение, что может привести к нарушению технологических процессов, снижению пропускной способности трубопроводов, ухудшению качества воды.
ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНАПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДЫ
Возможность и скорость разрушения бетонных и железобетонных конструкций под воздействием воды зависят
как от состава и структуры бетона, его плотности и водопроницаемости, так и от состава воды, контактирующей с ними, и от условий этого контакта.
Считается, что арматура железобетона не корродирует до тех пор, пока слой плотного водонепроницаемого бетона, защищающего ее, по тем или иным причинам не нарушается. Появление трещин и постепенное разрушение бетона обеспечивают доступ агрессивной среды к арматуре и способствуют развитию коррозии. Коррозия арматуры железобетона имеет электрохимическую природу. С развитием коррозии объем образующейся ржавчины постепенно увеличивается, что с свою очередь приводит к разрыву слоя бетона вдоль арматуры.
Основными причинами разрушения бетонных сооружений являются неудовлетворительное качество бетона и недостаточно тщательная укладка его, перенапряжение материала, механические воздействия, такие, как повышенная скорость движения воды и резкие изменения температуры. Химическая деградация бетона вызывается действием агрессивной углекислоты, сильнокислой или сильнощелочной среды, действием различных солей и т.д. Немаловажную роль в разрушении бетона играют бактериальные процессы.
Химическое разрушение бетона вызывается процессами трех типов: 1) растворение в водной среде компонентов бетона; 2) химическое взаимодействие компонентов бетона с присутствующими в воде веществами, сопровождающееся выносом продуктов реакции в воду и ослаблением механической прочности бетона; 3) образование в теле бетона продуктов химических реакций, вызывающих разрыв и разрушение бетона.
Действие агрессивной углекислоты. При твердении бетона в нем образуется около 10% свободного гидроксида кальция. Это обеспечивает создание сильнощелочной среды с pH * 14. Такой бетон обладает защитными свойствами по отношению к арматуре.
Действие агрессивной углекислоты на бетон проявляется в выщелачивании из бетона извести. По современным представлениям этот процесс является одной из основных причин разрушения бетона. Выщелачивание извести, или процесс карбонизации бетона, описывается реакцией
Са(ОН)2 + СО2 — СаСОз + НгО. (24)
Карбонизация может быть поверхностной, и в этом случае стойкость бетона увеличивается, так как образующаяся
корка СаСОз обладает защитными свойствами. Однако в условиях постоянного контакта с агрессивной углекислотой этот слой легко растворяется в соответствии в реакцией
СаСОз + СО2 + Н20 — Са(НСОз)2. (25)
Совокупность реакций (24) и (25) приводит к выщелачиванию из бетона извести и переводу ее в растворимый гидрокарбонат кальция.
Процесс карбонизации может происходить не только на поверхности, но и в толще бетона, что приводит к уменьшению его механической прочности и снижению защитных свойств по отношению к арматуре. Карбонизация в толще бетона обычно происходит на отдельных участках бетона, в местах трещин, пустот и других дефектов.
Влияние pH. Значение pH водной среды, контактирующей с бетоном, не должно выходить за пределы 6—9, Разрушающее действие кислот на бетон возрастает с увеличением растворимости образующихся кальциевых солей в ряду серная кислота, азотная и соляная. Сильнощелочные соединения, присутствующие в сточных водах, приводят к растворению алюмосодержащих компонентов бетона и таким образом нарушают его структуру.
Влияние ионного состава воды. Скорость разрушения бетона зависит от ионного состав воды. Например, если вода содержит много аммонийных соединений, то при контакте ее с сильнощелочной средой в теле бетона может наблюдаться выделение аммиака, ускоряющего растворение извести и разрушение бетона. Аналогичное действие оказывают соли магния и любые более слабые, чем известь, основания. Особенно агрессивной по отношению к бетону является вода, содержащая одновременно повышенные концентрации соединений аммония и магния и сульфаты.
Наличие в воде некоторых ионов, способных вовлекаться в биологические процессы, провоцирует развитие микроорганизмов, продукты жизнедеятельности которых могут разрушающе действовать на бетон. К числу таких микроорганизмов относятся, например, нитрификаторы и сероокисляющие бактерии, развитие которых сопровождается подкислением среды.
Влияние микроорганизмов. Микробиальные процессы разрушения бетона чаще всего связаны с деятельностью бактерий, осуществляющих превращение серы, и наблюдается обычно в канализационных коллекторах.
ВГгДГА * ТИОНОВЫЕВГгДГА * ТИОНОВЫЕРЕДУЦИРУЮЩИР ЬАКТРРИИРЕДУЦИРУЮЩИР ЬАКТРРИИРис. 22. Схема бактериальных процессов в канализационном коллекторе
ВГгДГА * ТИОНОВЫЕ
ВГгДГА * ТИОНОВЫЕ
РЕДУЦИРУЮЩИР ЬАКТРРИИ
РЕДУЦИРУЮЩИР ЬАКТРРИИ
При транспортировании сточной воды по самотечным каналам и трубопроводам со скоростью, меньшей, чем са- моочищающая скорость, возможно выпадение взвешен дых примесей воды в осадок. Находясь под слоем воды в анаэробных условиях, осадок может загнивать. При этом создаются оптимальные условия для жизнедеятельности суль- фатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты при сопряженном окислении органических веществ (см. 16) с образованием H2S.
Разрушение бетона происходит в основном в верхней части трубопровода над уровнем воды (рис. 22). Условия в этой зоне (наличие кислорода, сероводорода, влаги) оказываются очень благоприятными для развития тионовых бактерий и бесцветных серобактерий, осуществляющих соответственно реакции (22) и (23), (7). Образующаяся в результате этих реакций серная кислота и является причиной разрушения бетона.
Для предотвращения развития этих микробиальных процессов прежде всего необходимо поддерживать такую скорость движения воды в трубопроводе, при которой невозможно образование осадков. Следует также избегать турбулентности потока, чтобы предотвратить выделение из воды кислорода. В особо опасных случаях рекомендуются предварительное отстаивание и аэрация сточной воды.
ОСОБЕННОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОРСКОЙВОДЫ НА БЕТОН
Особенностью состава морской воды является высокое солесодержание, достигающее 25—40 г/л. В отличие от воды пресных поверхностных водоемов, в которой преобладают ионы Ca2t Mg , НСОз, SO4, основу ионного состава морской воды составляют хлориды, а из катионов преоб-
ладает натрий. Однако если говорить об абсолютном содержании того или иного иона, концентрация большинства из них в морской воде оказывается более высокой.
Химическое воздействие морской воды на бетон проявляется во взаимодействии солей и ионов с компонентами бетона. Например, под действием сульфатов происходит сульфатация свободного гидроксида кальция в бетоне:
Са(ОН)2 + Na2SO4 + 2Н2О — Ca(SO4)*2H2 +2NaOH.
Далее сульфат кальция взаимодействует с алюминатами цемента:
3CaSO4*2H2O + ЗСаО'А12Оз'12Н2 О +ПН2О -*
— ЗСаО AI2O3 3CaSO4 31Н2О. (26)
Образующийся в результате этих реакций сульфоалюминат кальция называют "цементной бациллой". Он обладает способностью расширяться в 2—2,5 раза, что приводит к разрушению бетона.
Разрушающее действие на бетон оказывают ионы магния. Взаимодействуя с кальциевым * алюминатом, они вытесняют из него кальций:
3Mg?* + ЗСаО AI2O3 + пН2О —
—ЗСа2 + 2А1(ОН)з + 3Mg(OH)2 + (л—6Ш2О. (27)
Свободный гидроксид кальция в бетоне в результате реакции с сульфатом или хлоридом магния превращается в хорошо растворимые соли, вымываемые из бетона:
Са(ОН)2 + MgCl2 — CaCh + Mg(OH)2. (28)
Образующиеся в результате реакций (27) и (28) А1(ОН)з и Mg(0H)2 представляют собой аморфные студнеобразные вещества, постепенно заполняющие микропоры, поры и трещины в бетоне и превращающие его в несвязанную массу, так как не обладают вяжущей способностью.
Разрушение бетона в результате химического взаимодействия с водой ускоряется механическим воздействием, приливно-отливными колебаниями, ударами волн.
Морская вода — естественная среда обитания разнообразных животных и растительных организмов. Некоторые из них ведут прикрепленный образ жизни, поселяясь на подводных предметах, в том числе на бетонных и железобетонных сооружениях. Организмы-обрастатели развиваются и в водоводах морской воды, попадая туда в личиночной стадии и прикрепляясь к стенкам труб.
Установлено, что химическое разрушение бетона в морской воде вызывают обрастания, состоящие из животных организмов, главным образом мидий и морских желудей- балянусов. В процессе дыхания животные-обрастатели выделяют углекислый газ, в результате чего защитная корка СаСОз на бетоне растворяется.
Растительные организмы не разрушают бетон, так как поглощают углекислоту в процессе фотосинтеза и тем самым снижают ее концентрацию в пристенном слое воды.
Таким образом, разрушение бетона в морской воде обусловлено совокупным действием химических, механических и биологических процессов.
ЗАЩИТА БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХСООРУЖЕНИЙ ОТ РАЗРУШЕНИЯ
Для предотвращения разрушения бетона и коррозии арматуры в железобетоне разработано несколько способов их защиты.
Надежная защита арматуры обеспечивается правильным подбором состава бетона, достаточной толщиной защитного слоя бетона, его уплотнением. В качестве специальных мер применяются предварительное покрытие арматуры слоем битумной краски, смешанной с цементом, и электрохимическая защита. Для защиты бетона используют битумные покрытия и лаки. Бетон низких марок пропитывают полимеризующимися составами, заполняющими капилляры, поры и трещины в бетоне и препятствующимися прониканию в него воды.
Глава 13. ОБРАЗОВАНИЕ ОТЛОЖЕНИЙИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАСТАНИЙ
В ТРУБОПРОВОДАХ И СООРУЖЕНИЯХ
Сооружения водопровода и канализации, как правило, связаны с тем или иным поверхностным водоемом. Для сооружений городского и промышленного водопровода поверхностный водоем является источником водоснабжения, для канализационных очистных сооружений — приемником сточных вод.
Качество воды в поверхностном водоеме и его бионаселение нередко обусловливают появление отложений и развитие биологических обрастаний в трубопроводах и гидротехнических сооружениях» В то же время сброс сточных вод в водоем может вызвать развитие подобных обрастаний на дне и береговой полосе водоема и существенно повлиять на качество воды в нем»
Таким образом, водоем и сооружения водопровода или канализации образуют единую взаимосвязанную и взаимозависимую систему. Рассмотрим характер и причины отложений и биологических обрастаний в некоторых из этих систем.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОТЛОЖЕНИЙ В ТРУБАХ,ПРИЧИНЫ ИХ ПОЯВЛЕНИЯ И БОРЬБА С НИМИ
На внутренней поверхности труб, транспортирующих воду, часто образуются отложения, характер которых обусловлен свойствами воды и режимом ее движения. Появление отложений уменьшает живое сечение трубопровода и снижает его пропускную способность.
Недостаточная скорость движения неочищенной воды в трубопроводе приводит к выпадению из нее грубодисперсных примесей и образованию донных отложений. Отложения органического происхождения легко загнивают и способствуют ухудшению качества воды и разрушению железобетонных труб (см. 33). К неорганическим отложениям относится, например, гидроксид железа. Такие отложения постепенно уплотняются и цементируются различными примесями воды, выпадающими в осадок. Рассмотренный в гл. 11 процесс коррозии приводит к образованию бугристых отложений неправильной формы, состоящих также из гидроксида железа. Образование бугристых отложений повышает шероховатость поверхности труб и увеличивает потери напора в них. Кроме того, на бугристых отложениях легко оседают и задерживаются взвешенные частицы. Постепенное сплошное зарастание труб возможно в результате выпадения карбоната кальция, если по трубам постоянно транспортируется вода с положительным индексом насыщения. Наконец, при эксплуатации систем водяного охлаждения на поверхности теплообмена возможно образование накипных отложений.
Накипь состоит в основном из карбоната кальция, выпадающего из воды при ее нагревании. Повышение температуры сдвигает -равновесие реакции
2НСОз — СОз'+ СО2 + Н2О
вправо, что приводит к потере растворенной углекислоты и при наличии в воде ионов кальция к образованию СаСОз. Вместе с карбонатом кальция к поверхности труб "прикипают" взвешенные вещества, увеличивающие общий объем отложений.
Основными мерами борьбы с отложениями являются: поддержание определенной скорости движения воды для предотвращения выпадения взвешенных в ней примесей, предупреждение коррозии, стабилизационная обработка воды, умягчение ее с целью предупреждения накипеобразо- вания.
РАЗВИТИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАСТАНИЙВ СИСТЕМЕ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИИ И БОРЬБА С НИМИ
Биологические обрастания образуют организмы, привнесенные в систему с водой из поверхностного источника и приспособившиеся к условиям существования в водозаборных устройствах, трубопроводах, на теплообменных поверхностях аппаратов, в охладителях оборотной воды.
В системах оборотного водоснабжения биологические обрастания появляются в тех случаях, когда создаются благоприятные условия для жизнедеятельности тех или иных организмов: наличие питательных веществ и подходящего температурного режима. Полагают, что появление обрастаний неизбежно, если перманганатная окисляемость воды превышает 4—6 мг/л. Процесс интенсифицируется наличием в воде фосфорных соединений.
В настоящее время на многих промышленных предприятиях для охлаждения аппаратов используют очищенные сточные воды. Очищенные производственные сточные воды, как правило, отличаются от природной воды повышенным солесодержанием и могут быть обогащены специфическими примесями. Использование такой воды в оборотных системах может интенсифицировать накипеоб- разование (при повышении концентрации кальция и
магния), разрушение бетона и коррозию металла (при повышении содержания хлоридов и сульфатов).
Городские сточные воды после доочистки на песчаных фильтрах и обеззараживания, используемые для охлаждения, могут интенсифицировать развитие биологических обрастаний, так как обладают повышенной биогенностью, обусловленной наличием органических примесей, соединений азота и фосфора.
Характер и скорость развития биологических обрастаний зависят от температурных условий. В источнике водоснабжения количественный и качественный состав бионаселения меняется по сезонам года. В открытых охладителях оборотной воды (градирнях, брызгальных бассейнах, прудах) интенсивность биологических процессов обрастания также неодинакова в течение года. Рост биомассы практически не изменяется только в закрытых теплообменных аппаратах, где поддерживается постоянный температурный режим.
Основу биологических обрастаний теплообменных аппаратов и трубопроводов составляют бактерии. Процесс обрастания начинается с появления на поверхности, омываемой водой, слизистой пленки. Исследования показали, что большая часть бактериального обрастания образована зооглейными бактериями — Zoogloearamigera. Интенсивно развиваются также нитчатые бактерии рода Sphaerotilus, при повышенном содержании железа в воде в составе обрастаний обнаруживаются железобактерии (см. 16). Образование механических отложений, особенно органического происхождения, в трубопроводах способствует развитию бактерий и других гидробионтов.
Кроме бактерий в составе биообрастаний теплообменных аппаратов и трубопроводов обнаружены простейшие, грибы, черви, коловратки. Основными представителями простейших-обрастателей являются инфузории родов Paramecium, Vorticella, Carchesium и раковинные амебы. Среди червей встречаются нематоды и олигохеты. Иногда в составе обрастаний появляются мшанки.
В охладителях воды (градирнях и брызгальных бассейнах) характер биологических обрастаний отличается от описанного выше только присутствием большого количества водорослей. Водоросли развиваются на освещенных, омываемых водой поверхностях. Весной и осенью растительные обрастания представлены в основном диатомеями, в теплый
период года развиваются зеленые водоросли и цианобактерии.
Непрерывные биологические процессы в оброете приводят к изменению качества контактируемой с ними воды. Из воды извлекаются вещества, служащие пищей микроорганизмам, но в нее же поступают продукты жизнедеятельности организмов-обрастателей, отмершие клетки и продукты их распада.
Большие затруднения в работе гидротехнических сооружений вызывает моллюск дрейссена, который поселяется в водоприемных камерах, грубых решетках, во всасывающих патрубках насосов. Личинки этого моллюска вместе с водой попадают в систему оборотного водоснабжения и в очистные сооружения, расселяются там и вызывают обрастание трубопроводов и резервуаров. По наблюдениям численность моллюсков на отдельных участках тракта технического водопровода за год эксплуатации может достигать 100 тыс.экз./м2 при толщине обрастания 25— 40 мм.
Биологические обрастания любого характера снижают пропускную способность трубопроводов и резко снижают интенсивность теплообмена, что приводит к нарушению технологических процессов.
В зависимости от характера биологических обрастаний применяют различные способы борьбы с ними.
Для борьбы с бактериальным обростом в системах оборотного водоснабжения чаще всего применяют периодическое хлорирование оборотной воды. Необходимую дозу хлора и периодичность обработки определяют экспериментально соответственно по хлоропоглощаемости и интенсивности развития биообрастаний. Хлор вводят в воду без выключения системы из работы. В настоящее время разработаны и применяются химические и термические методы для борьбы с дрейссеной, которые наиболее эффективны в начальный период ее развития.
К химическим методам относятся хлорирование и ку- поросование воды. Реагенты вводят непосредственно перед водозабором. Обработка воды предусматривается в период интенсивного размножения моллюсков в теплое время года. Дозы реагентов определяются экспериментально и составляют обычно для хлора 4—10 мг/л, для медного купороса 1—6 мг/л (по иону меди).
Хлорирование производят непрерывно с мая по октябрь, если вода имеет высокую хлоропоглощаемость. В противном случае достаточно производить хлорирование дважды: весной и осенью, каждый раз в течение 10 дней. Купоро- сование также проводят с мая по октябрь 1 раз в 2 дня, каждый раз в течение 1 ч.
Обработку воды медным купоросом применяют и для борьбы с уже сформировавшимися обрастаниями в водоводах речной воды. Для этого их заполняют водой с концентрацией меди 5 мг/л и выдерживают в течение 5 сут. При такой обработке моллюски погибают полностью, сами отрываются от поверхности трубопровода и могут быть удалены из него путем промывки.
Термический способ борьбы с дрейссеной основан на том, что личинки и взрослые особи моллюска погибают при температуре выше 32°С. По экспериментальным данным обработка обросшей поверхности водой с температурой 40—45°С в течение 5—15 мин приводит к гибели дрейс- сены. Спустя 1—24 ч обработанная поверхность полностью освобождаются от оброста.
Для . предупреждения развития биологических обрастаний применяют покрытие поверхностей специальными красками или кузбасс-лаком.
Вопросы для самоконтроля
Какой процесс называется коррозией металла?
Чем объясняется коррозионная активность природных и сточных вод?
Напишите уравнения реакций на анодных и катодных участках металла.
Что понимают под терминами "анодная" и "катодная" поляризация?
В чем главное отличие процесса коррозии в аэрируемой и неа- эрируемой среде?
Какие факторы способствуют замедлению коррозии?
Какую роль в коррозионных процессах играет кислород?
Совокупностью каких реакций описывается карбонатно-кальциевая система равновесий?.
Что понимают под термином "равновесная углекислота"?
Как влияет pH на углекислотное равновесие?
Что такое индекс насыщения?
Какая вода считается стабильной?
Какую роль в процессах коррозии играют микроорганизмы?
Перечислите основные причины разрушения бетона под воздействием воды.
Назовите основные виды организмов-обрастателей.
РАЗДЕЛ 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХИ сточных вод
Глава 14. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Извлечение из воды разнохарактерных примесей достигается, как правило, применением нескольких процессов, сочетание и последовательность которых диктуются качеством исходной воды и видом ее дальнейшего использования.
Большинство рассматриваемых ниже процессов применимы для очистки как природных, так и сточных вод, в основе их лежат одни и те же закономерности и лишь некоторые отличия обусловлены различиями в концентрации и природе загрязнений.
Для наиболее сложного случая — очистки воды, содержащей примеси органической и неорганической природы, по степени дисперсности относящиеся ко всем четырем группам, совокупность процессов должна обеспечить последовательное удаление взвешенных, коллоидных и, наконец, растворенных веществ. В такой последовательности целесообразно было бы рассматривать и теоретические основы соответствующих процессов. Однако необходимо отметить, что при биохимической очистке сточных вод, коагулировании с последующим отстаиванием существенную роль играют сорбционные процессы. Поэтому эти процессы рассматриваются вначале, хотя в чистом виде сорбция применяется для удаления из воды растворенных примесей.
3& СОРБЦИЯ И КАТАЛИЗ
Сорбция — это процесс поглощения одного вещества (сорбтива) другим (сорбентом) независимо от механизма поглощения. Сорбция разделяется на виды: адсорбция, абсорбция, хемосорбция.
Адсорбция — процесс изменения концентрации вещества на границе раздела фаз. Сорбируемое вещество располагается на поверхности сорбента. Абсорбция — процесс
поглощения сорбтива всем объемом сорбента, когда извлекаемое вещество проникает в поры сорбента. Если сорбция сопровождается протеканием химических реакций, то она носит название хемосорбция. Некоторые сорбенты имеют в своем составе ионы, способные вступать в обменные реакции с ионами раствора. Это явление называется обменной (или ионообменной) сорбцией.
Практическое значение для очистки воды имеет сорбция на поверхности раздела твердое вещество—раствор. Основой процесса адсорбции является взаимодействие молекул сорбента, обладающих на границе раздела фаз поверхностной энергией, с молекулами адсорбируемых веществ. Чем больше суммарная межфазовая поверхность, тем больше ее поверхностная энергия и количество сорбированных веществ (см. 5). Сорбция сопровождается уменьшением поверхностной энергии и протекает самопроизвольно.
При адсорбции растворенных веществ на твердых адсорбентах в той или иной степени происходит адсорбция растворителя, т.е. воды. Для уменьшения адсорбции воды применяют гидрофобные сорбенты.
В качестве сорбентов для очистки воды применяют различные пористые материалы: активные угли различных марок, золу, коксовую мелочь, торф, активные глины и т.д. В процессах подготовки воды для питьевых целей используют в основном активные угли.
Активность сорбента характеризуется количеством извлекаемого вещества в расчете на 1 м3 или на 1 кг сорбента; кроме того, она связана со структурой сорбента. Различают, в частности, угли крупнопористые, мелкопористые и смешанные. Поры подразделяются на макропоры размером 0,1— 2 мкм, переходные поры размером 0,004—0,1 мкм и микропоры размером менее 0,004 мкм. Считается, что макропоры и переходные поры задерживают вещества в малом количестве и в основном играют роль транспортных каналов. Таким образом, сорбционная емкость углей определяется наличием в них микропор. Из активированных углей отечественных марок наибольшей емкостью микропор обладают угли СКТ, наименьшей — КАД молотый.
Одним из основных критериев оценки адсорбционных свойств сорбента является изотерма сорбции. Изотерма сорбции — это кривая зависимости количества поглощенного вещества в расчете на единицу (объема или массы) сорбента от концентрации сорбируемого вещества в растворе.
Рис. 23. Кривая сорбцииРис. 23. Кривая сорбцииГ
Рис. 23. Кривая сорбции
Рис. 23. Кривая сорбции
С — концентрация раствора; Г— '"• количество сорбируемого вещества на массовую единицу сорбента
С
Сорбция газов твердым сорбентом описывается изотермой Лэнгмюра (рис. 23), имеющей вид:
г » кс/а + ка, (29) где Г и Г ^ — количество адсорбированного вещества соответственно в момент времени t и предельно возможное, характерное для данного сорбента и условий процесса, моль/см2; К — константа равновесия адсорбционного процесса, выра женная через отношение скоростей прямого и обратного процессов, т.е. сорбции и десорбции; с — концентрация сорбтива в растворе, моль/л.
В силу общности кинетических представлений действие уравнения (29) распространяется и на процесс сорбции твердым сорбентом веществ из раствора.
В - уравнении (29) К и Г^ — константы. Если величина с мала, то Кс « 1, тогда Г * кГ^ , т.е. наблюдается линейная зависимость адсорбции от концентрации сорбируемого вещества. При другом граничном условии, когда Кс » 1, уравнение (29) сводится к предельному значению Г * ^. Физически это означает, что свободной поверхности, доступной сорбции, нет, и дальнейшее увеличение концентрации извлекаемого вещества нс имеет смысла.
Кроме теории Лэнгмюра разработан еще ряд теорий, описывающих закономерности сорбции различного вида, в частности теория трех авторов — Брунауэра, Эммета и Теллера (сокращенно БЭТ), отражающая возможность полимолекулярной адсорбции.
Для адсорбции из растворов широко применяется эмпирическое уравнение Фрейндлиха:
Г = Кс'/п, (30) где Кип — эмпирические константы.
Уравнение (30) хорошо согласуется с экспериментальными данными в обширной области средних концентраций, но дает отклонения при малых и больших концентрациях раствора, для которых более приемлемо уравнение Лэнг-
мюра (29), хотя строго говоря, к интересующему нас случаю сорбции примесей из воды теория Лэнгмюра должна применяться с осторожностью.
Сорбция является одним из наиболее эффективных методов извлечения из воды растворенных веществ, чаще всего органического происхождения. Нередки случаи, в особенности при очистке сточных вод, когда сорбируемое вещество утилизируется, что в значительной степени снижает эксплуатационные затраты на обработку воды.
При подготовке питьевой воды сорбционные процессы применяют для устранения запахов и привкусов воды.
Адсорбция является стадией гетерогенного катализа. Катализаторы — это вещества, изменяющие скорость реакции, а изменение скорости реакции с помощью катализаторов называется катализом»
Различают гомогенный и гетерогенный катализы. При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор образуют одну фазу. Явления гомогенного катализа обычно объясняются теорией промежуточных соединений. Схематически это можно представить так: А + В * АВ (реакция протекает медленно). Катализатор К разбивает процесс на две стадии: А + К * АК (протекает быстро); АК + В « * АВ + К (протекает быстро).
При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор — разные фазы. Катализатором чаще всего является твердое тело, на поверхности которого различают активные центры, места с наибольшей декомпенсирован- ностью молекулярных сил. На активных центрах собираются молекулы реагирующих веществ, их концентрация в этих местах становится выше, чем в общей массе, в результате чего изменяется скорость реакции в соответствии с законом действующих масс.
Необходимо упомянуть еще об одном важном аспекте действия катализаторов. Существует понятие — энергия активации реакции. Чтобы реакция прошла самопроизвольно, необходимо чтобы энергия исходных продуктов А + В была выше, чем конечных продуктов реакции С + и, кроме того, молекулы веществ А и В должны перейти энергетический барьер реакции Е (рис. 24).
Под. действием катализатора у адсорбированных молекул. ослабляются связи между атомами; связи делаются более реакционноспособными. В этом случае, как и в гомогенном катализе, в присутствии катализатора требуется
Рис, 24. Схема изменения свободной энергии реагирующей системы
меньшая энергия активации (пунктирная линия на рис. 24). Таким образом, действие катализаторов сводится к снижению высоты энергетического барьера.
КОАГУЛЯЦИЯ И ФЛОКУЛЯЦИЯ
Нерастворенные примеси природных вод полидисперс- ны, и способность их к седиментации под действием гравитационных сил различна.
Ниже приведены ориентировочные данные о седиментационных свойствах взвешенных частиц, составляющих обычный набор примесей природной воды при осаждении в вертикальном столбе воды высотой 1 м (табл. 2).
Таблица 2. Седиментационные свойства примесей природной воды
Материал примеси
Диаметр частиц, мм
Ориентировочное в ре мн осаждения в столбе высотой 1 м
Материал примеси
Диаметр частиц, мм
Ориентировоч ное время осаждения в столбевысо той 1 м
Гравий
10
1 с
Глина
001
2 ч
Песок
1
Юс
Бактерии
0,001
8 сут
Мелкий пе
0,1
2 мин
Коллоидные
0,001-
2 года —
сок
частицы
"0,00001 -20 лет
Из табл. 2 видно, что естественное осаждение основных примесей воды — мелких глинистых и им подобных частиц, а тем более коллоидных частиц — проходит очень медленно. Для ускорения процесса осаждения систему нуж-
но дестабилизировать, понизить ее агрегативную устойчивость. Воздействие на систему в нужном направлении — снижение § -потенциала, ассоциация частиц и их седиментация — достигается применением коагулянтов и флокулянтов.
В качестве коагулянтов чаще всего используют соли алюминия и железа: сульфат алюминия А12(8О4>з*18Н2О, алюминат натрия NaA102, сульфат железа (И) FeSO4*7H2O (железный купорос), хлорид железа (III) РеС1з’6НгО.
В воде эти соли подвергаются ступенчатому гидролизу по схеме:
Me3* + Н2О Ме(ОН)2+
Ме(ОН)2+ + Н2О = Ме(ОН)2 + Н+
Ме(ОН)2 + НгО = Ме(ОН)з + Н+
Me3* + ЗН2О 5= Ме(ОН)з + ЗН+.(31)
Полнота процесса гидролиза коагулянта достигается только при условии связывания образующихся ионов водорода. В природных водах ионы НСОз в совокупности с растворенной угольной кислотой образуют буферную систему, емкость которой определяется концентрацией ионов НСОз- Участвуя в реакции Н+ + НСОз Н2СО3, ионы НСОз обеспечивают полный гидролиз коагулянта. Однако в ряде случаев природная буферность воды оказывается недостаточной для нейтрализации всех ионов и приходится прибегать к предварительному подщелачиванию воды известью или кальцинированной содой.
Степень гидролиза повышается при разбавлении растворов и повышении температуры.
Гидролиз хлорного железа по схеме (31) приводит к образованию Ре(ОН)з. Выделение твердого гидроксида железа — первая стадия образования коллоидной частицы (см. 16). Хлопья Fe(OH)3 интенсивно образуются при значении pH * 5—7 с оптимумом в диапазоне pH = 6,1—6,5. Минимальная растворимость гидроксида железа (III) наблюдается в изоэлектрической точке, соответствующей значению pH = 6,5..
Гидролиз солей алюминия по схеме (31) приводит к образованию А1(ОН)з — типичного амфотерного со-
единения, способного растворяться как в кислой, так и в щелочной среде:
А1(ОН)з + ЗН+ ^А13+ + ЗНгО;
АКОЮз + ОН" - = АЮг + 2НгО.
Минимальную растворимость гидроксид алюминия имеет при pH * 6,5—7,5. Мицелла золя А1(ОН)з имеет следующее строение:
КОЛЛОИДНАЯ ЧАСТИЦА
{т[А1(0Н)5] Al’* З(п-х) сГр-JxCl <у;
ЯДРО
МИЦЕЛЛА
Гидрозоли алюминия и железа образуют пространственные структуры, напоминающие сетку, в ячейках которой находится вода. Формирующиеся структуры имеют очень развитую высокопористую поверхность, поэтому обладают большой адсорбционной способностью. .
Коллоидные примеси воды, * обусловливающие ее цветность, адсорбируются на хлопьях гидроксидов, и вследствие разноименности зарядов гидроксидов и частиц примесей последние прочно фиксируются на поверхности адсорбента.
Собственно коагуляции подвергаются гидрозоли алюминия и железа. Коагуляция их происходит под действием электролитов, присутствующих в воде. Поскольку коллоидные частицы гидроксидов алюминия и железа заряжены положительно, коагулирующими ионами для них являются анионы (SO, СГ, НСОз).
Агломерация коллоидных частиц, обусловливающих мутность воды, происходит в результате сжатия одновалентных катионов диффузного слоя на более активные трехвалентные катионы алюминия или железа, всегда присутствующие в растворе при введении коагулянта. Это приводит к снижению £ -потенциала частиц примесей и их коагуляции (см.рис. 4). Осветление воды происходит также в результате прилипания частиц взвеси к хлопьям гидроксида. Большое значение имеет ортокинетическая коагуляция вследствие захватывания частиц сеткой оседающих хлопьев гидроксидов алюминия или железа.
Процесс коагуляции заканчивается выведением из очищенной воды отработанного сорбента.
Для определения оптимальной дозы коагулянта проводят пробное коагулирование, по результатам которого строят коагуляционную кривую — зависимость остаточной мутности или цветности от дозы коагулянта. Доза, соответствующая минимальной концентрации остаточных загрязнений, считается оптимальной.
Для ускорения осаждения хлопьев необходимо их укрупнение, что достигается использованием флокулянтов. Из неорганических флокулянтов чаще всего применяют активированный кремнезем (Н28Юз)4- Растворы кремниевой кислоты нестабильны, и поэтому их готовят непосредственно перед использованием. Из органических флокулянтов наибольшее распространение в нашей стране получили полиакриламид (ПАА), полифункциональные полимеры амфотерного типа К-4 и К-6, катионный флокулянт ВА-2./^
Полиакриламид — сополимер акриламида СН2=СН—С и аммониевых, натриевых или кальциевых солей акриловой кислоты СН2=СН—СООН. Карбоксильные группы придают молекуле ПАА свойства анионного полиэлектролита, диссоциирующего в воде с образованием полимерного аниона и простых катионов. Молекулы ПАА образуют ассоциаты в виде длинных цепочек. Вследствие адсорбционного взаимодействия молекулы ПАА одновременно с несколькими частицами гидроксида алюминия и железа образуются тяжелые, крупные и прочные агрегаты, легко оседающие.
Флокулянты типа К получают омылением полиакрилнитрила [—СН2—СН—CN]rt, в результате чего в составе полимера оказываются карбоксильные, аминные и другие группы, обусловливающие амфотерный характер полиэлектролита.
Катионные флокулянты представляют собой четвертичные аммониевые соли на основе полистирола и поливинил толуола. К их числу относится флокулянт ВА-2, макроионы которого имеют положительный заряд. Адсорбируясь на отрицательно заряженных коллоидных примесях воды, он образует крупные агрегаты. В определенных условиях ВА-2 может быть использован без минеральных коагулянтов.
Дозы флокулянтов, требуемые для удовлетворительного осаждения, очень малы — обычно менее 1 мг/л; если же
реагент используется в роли не только флокулянта, но и собственно коагулянта, то дозы повышаются.
Выделение взвешенных веществ из сточных вод обычно осуществляется безреагентным путем, по крайней мере, на первых стадиях их обработки. Однако в последние годы была разработана схема физико-химической очистки городских сточных вод, когда уже на первой стадии обработки к воде добавляют реагенты — сульфат алюминия или хлорное железо и известь, после чего смесь направляют в первичные отстойники для отделения взвешенных частиц от воды. В этом случае происходит несколько процессов — коагуляция, флокуляция, соосаждение, сорбция примесей. Дозы реагентов в несколько раз выше, чем требуемые для обработки природных вод.
При очистке производственных сточных вод большой интерес представляет применение в качестве коагулянтов отходов производства — шламов и отработанных растворов. Так, при производстве этилбензола в качестве отхода получается хлорид алюминия, при травлении металлов — сульфат двухвалентного железа и т.д.
ОТСТАИВАНИЕ
В технологии процессов очистки природных и сточных вод рассматривается осаждение частиц двух типов — гранулированных и флокулированных. Гранулированные частицы осаждаются независимо друг от друга и с постоянной скоростью, а флокулированные, которые могут быть естественного происхождения или искусственно полученными вследствие агломерации коллоидных веществ, осаждаются по-разному в зависимости от исходной концентрации частиц. Если их концентрация мала, то в верхних слоях воды осаждение каждого хлопка происходит индивидуально, но затем при столкновении и слипании частиц скорость осаждения увеличивается. Это явление носит название стесненного или флокулянтного осаждения. При высокой концентрации происходит совместное осаждение хлопьев с четко выраженной границей раздела фаз между верхним слоем жидкости и осадкрм^ Такое осаждение называют зонным.
Теория осаждения гранулированных частиц агрегативно устойчивой взвеси, частицы которой в процессе осаждения не меняют своей формы и размера, основана на следующих
представлениях. На частицу действует гравитационная сила, вследствие чего она двигается вниз. Осаждению частицы препятствуют силы сопротивления, обусловленные вязкостью среды. Для процесса осаждения таких частиц при условии их малого размера и малой скорости осаждения справедливо уравнение Стокса:
Ио - 1/18 [ф, - ^ж)//^2, (32) где ио — скорость осаждения, или гидравлическая крупность частиц, м/с;рц и J>M — соответственно плотность частиц и жидкости, Н/м , ]ц— коэффициент динамической вязкости жидкости, Па* С; g — ускорение свободного падения, м/с2; d — диаметр шарообразной частицы, м.
Из структуры формулы (32) видно, что на скорость седиментации влияют размер частиц, разность плотностей частиц и жидкости, температура, от которой зависит вязкость среды. Повышение температуры приводит к уменьшению вязкости и соответствующему увеличению скорости осаждения частиц.
Взвешенные вещества сточных вод и взвесь, образующаяся в результате обработки воды коагулянтами, недно- родны по форме частиц, их размеру и плотности, более того, частицы в процессе осаждения агломерируются, вследствие чего изменяется и скорость их осаждения. Такая взвесь называется полидисперсной. агрегативно неустойчивой. Закономерности осаждения частиц полидиспер- сной взвеси оказываются более сложными. Строгого математического описания для осаждения такой взвеси нет, и кинетические зависимости получают опытным путем.
Для решения задач проектирования отстойных сооружений изучают зависимость Э = f(/), при этом высота столба воды в отстойном сосуде h должна быть не менее 500 мм, в диаметр сосуда не менее 100 мм. Эти условия обеспечивают возможность фиксирования эффекта слипания частиц и ускорения их падения при одновременном сведении к минимуму искажающего картину явления налипания частичек на стенки сосуда.
Для агрегативно устойчивых взвесей необходимое для их осаждения время Т в сооружении с глубиной Н при заданном эффекте (Э) отстаивания определится из соотношения:
(33)(33)TlH = t/K
(33)
(33)
Если частицы взвеси в процессе осаждения образуют агломераты, зависимость (33) принимает вид:
Т - t<H/hYl,
где п — показатель степени, отражающий влияние агломерации. Для хорошо сформированных скоагулированных хлопьев п - 0,5; для взвешенных веществ городских сточных вод п - 0,2—0,3. *
Для зонного осаждения, которое наблюдается при исходной концентрации взвешенных веществ более 1000 мг/л, закономерности осаждения описываются также эмпирическими формулами.
В расчетах зонного осаждения (активного ила) иногда пользуются понятием "индекс". Объемный индекс I —это объем (мл), занимаемый 1 г осадка после 30 мин отстаивания.
Процессы отстаивания — наиболее широко применяемые процессы в любой очистке природных вод или бытовых и производственных отходов.
ФЛОТАЦИЯ
Флотация (всплывание) основана на разности удельных масс взвешенных частиц (или капель жидкости) и жидкости, в которой они суспензированы. Флотация осуществима в том случае, если примеси способны образовывать комплекс "частица—воздух" с плотностью, меньшей плотности воды. В результате действия сил всплывания, гравитации и сопротивления комплексы "частица—воздух" флотируют и образуют концентрированный слой на свободной поверхности жидкости, откуда этот слой затем удаляется. Плотность примесей обычно больше плотности воды, поэтому для осуществления флотации нужно, чтобы адгезия (т.е. слипание) микропузырьков воздуха и частиц была выше смачивающего действия воды на частицы.
Смачивание твердого вещества жидкостью определяется величиной краевого угла контакта 6 между поверхностью твердого вещества и пузырьком газа (рис. 25). Если 9 - О, то твердое тело смачивается водой и адгезия его с воздухом невозможна. Если 8 * 180°, то твердое тело не смачивается, а контакт его с воздухом максимален. На практике этот случай не встречается, наибольший угол 9 = 110° наблюдается при смачивании ртути. Все обычные примеси воды дают 8 между 0 и 110°, и чем этот угол больше, т.е. чем более гидрофобна поверхность частицы, тем выше прочность прилипания частицы к пузырьку воздуха.
жидкость
Рис» 25. Угол смачивания
8
7^7^777777777777777^^
ТВЕРДОЕ ТЕЛО
Основные отличия способов флотации связаны с видом насыщения жидкости пузырьками воздуха. По этому принципу различают: пенную, наиорную флотацию и электрофлотацию. При пенной флотации воздух подается в систему через пористые материалы; при напорной — воду насыщают воздухом под давлением, после снятия которого начинается выделение пузырьков воздуха; при электрофлотации пузырьки газа образуются в результате электролиза воды.
Метод флотации нашел широкое применение в практике очистки сточных вод, особенно производственных. Из воды удаляются взвешенные вещества, а также частично коллоидные и растворенные.
Флотация применяется и при очистке природных вод с мутностью до 150 мг/л и цветностью до 200 град.
ФИЛЬТРОВАНИЕ
Фильтрование — процесс процеживания суспензии. через пористый материал, задерживающий твердые примеси и пропускающий воду. Если размеры частиц больше размеров пор фильтрующей загрузки, то частицы останутся на поверхности загрузки. Этот тип фильтрования называется поверхностным, осадочным или опорным. Если частицы проходят внутрь материала загрузки, то процесс называется фильтрованием в объеме, или объемным фильтрованием.
С поверхностным фильтрованием мы встречаемся при движении воды через фильтры из пористой керамики, при фильтровании под давлением или вакуумом через сетчатые и тканевые перегородки и .т.д. При этом на фильтре задерживаются все частицы, размеры которых превышают размеры пор фильтрующей основы. В результате на ней формируется слой осадка, являющийся дополнительным фильтрующим слоем.
Процесс поверхностного фильтрования подчиняется закону Дарси, по которому Скорость фильтрования у
пропорциональна потерям напора р, коэффициент пропорциональности К зависит от динамической вязкости JU и величины, определяющей сопротивление среды Я:
у - Кр; К - \HjuR>; у - р! JUR.(34)
В свою очередь, сопротивление среды Я складывается из начального сопротивления фильтрующей основы RH и сопротивления образовавшегося слоя осадка Яос!
R » Ян + Яос.(35)
Сопротивление слоя осадка:
Яос ” rM/F,(36)
где г — удельное сопротивление осадка фильтрованию; М — масса отложившегося осадка; F— площадь фильтра.
После подстановки (35) и (36) в (34) и преобразования получаем выражение для скорости фильтрования у:
у » pHjiHrM/F + Ян].
При фильтровании воды со взвешенными веществами через слой песка или другие зернистые материалы, т.е. при объемном фильтровании, наблюдаются следующие процессы: извлечение взвешенных частиц из воды и их закрепление на зернах фильтрующей загрузки под действием сил адгезии; отрыв части задержанных частиц от зерен загрузки и перенос их в последующие слои, где они снова задерживаются в порах загрузочного материала.
До тех пор пока интенсивность первого процесса превышает интенсивность второго, происходит очистка воды от взвешенных частиц.
С течением времени в загрузке накапливается осадок, при этом объем свободного порового пространства уменьшается, а гидравлическое сопротивление загрузки возрастает. Это проявляется в увеличении потери напора в фильтрующей загрузке, повышении концентрации взвеси в фильтрате. Время, в течение которого слой загрузочного материала обеспечивает очистку воды до требуемой концентрации, называется временем защитного действия загрузки
h ” MKblakx - Xolb>, где К и Хо — константы, зависящие только от требуемого эффекта очистки и определяемые по номограммам Д.М. Минца; Ыан b — кинетические параметры процесса фильтрования, характеризующие соответственно скорость проникновения взвести в Глубь загрузки и интенсивность прилипания частиц к зернам загрузки.
Продолжительность работы фильтра /н до момента достижения предельной потери напора определяется из выражения:
tH - [(Япр - Но)№/НоТ, где Но и НПр — соответственно начальная и предельно допустимая потеря напора в-загрузке фильтра; io — темп прироста потери напора; х — толщина слоя загрузки.
Отношение W fa характеризует надежность работы фильтра и при ?3Лн1 гарантирует высокое качество фильтрата. Чем больше это отношение, тем выше степень санитарной надежности фильтра.
Процесс фильтрования — один из основных приемов в водоподготовке, обеспечивающий удаление из природной воды как взвешенных, так и коллоидных примесей. Этот метод широко применяется также для доочистки сточных вод, прошедших сооружение биологической или физикохимической очистки. Особенность фильтрования биологически очищенных сточных вод заключается в том, что наряду с процессом задержания нерастворенных примесей в фильтрах достаточно интенсивно идут биохимические процессы окисления остаточных органических веществ.
МЕМБРАННАЯ СЕПАРАЦИЯ
Под термином мембранная сепарация понимают процессы разделения истинных растворов с помощью различного рода мембран. Этот термин объединяет процессы гиперфильтрации или обратного осмоса, ультрафильтрации и электродиализа»
Понятие обратный осмос показывает обратимость процесса естественного осмоса, рассмотренного в 3. Известно, что прямой (или естественный) осмос (рис. 26, а) наблюдается, если чистая вода А и водный раствор Б разделены полупроницаемой мембраной В, через которую вода устремляется в сторону раствора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока уровень раствора не поднимается на высоту Н, равную осмотическому давлению раствора (рис. 26, б). При этом достигается осмотическое равновесие. Для того, чтобы заставить молекулы воды двигаться в противоположном прямому осмосу направлении к раствору Б, нужно приложить гидростатическое давление Р, величина которого должна быть больше осмотического давления Н (рис. 26, в). Упрощенная схема обратного осмоса показана на рис. 26, г. Очищаемая вода 1
Рис. 26. Прямой и обратный осмосРис. 26. Прямой и обратный осмос
Рис. 26. Прямой и обратный осмос
Рис. 26. Прямой и обратный осмос
а — прямой осмос; б — осмотическое равновесие; в — обратный осмос; г — упрощенная схема процесса гиперфильтрации
насосом высокого давления 2 подается в модуль обратного осмоса 3 с полупроницаемой мембраной 4. Чистая вода 5, прошедшая через мембрану удаляется из одной части модуля, а концентрат б отводится через управляемый клапан 7.
Основной частью модуля является полупроницаемая мембрана. К настоящему времени разработано несколько типов таких мембран из различных полимерных материалов. Такие мембраны задерживают неорганические и органические вещества, растворенные в воде. Задерживаемые вещества должны постоянно отводиться от мембраны и не должны сорбироваться на ее поверхности, чтобы не нарушать процесс разделения.
Гиперфильтрация осуществляется при давлении более 0,6 МПа. Гиперфильтрация нашла применение при обессоливании природных вод и очистке некоторых видов сточных вод от растворенных примесей.
Частным случаем обратного осмоса является ультрафильтрация» предназначенная для разделения водных растворов органических веществ и коллоидных растворов. Поры полупроницаемых мембран для ультрафильтрации более крупные. Соответственно и давление, необходимое для ультрафильтрационной очистки, ниже, чем для гиперфильтрации.
Рис. 27. Схема процесса электродиализа
В отличие от мембран, применяемых для гипер- и ультрафильтрации, диализные мембраны не пропускают молекулы воды. В зависимости от типа диализные мембраны пропускают либо катионы, либо анионы. Электродиализ используют для опреснения воды. Принципиальная схема электродиализной установки показана на рис. 27. Установка имеет три камеры, разделенные мембранами, пропускающими только катионы К и только анионы А. Соленая вода / подается в центральную рабочую камеру /. В катодную камеру II погружен катод, в анодную камеру III — анод. Если подключить такую установку к источнику постоянного тока, то катионы из рабочей камеры постепенно переместятся в катодную, а анионы — в анодную камеру, т.е. произойдет опреснение воды. Пресная вода 2 отводится из рабочей части электродиализатора.
Таким образом, если в результате обычного фильтрования через зернистую загрузку из воды извлекаются взвешенные и крупные коллоидные частицы, то при ультрафильтрации задерживаются мелкие коллоиды и высокомолекулярные органические вещества, при гиперфильтрации — средне- и низкомолекулярные органические соединения и неорганические соли, при диализе — ионы неорганических солей.
ИОННЫЙ ОБМЕН
Ионный обмен — это процесс извлечения из воды одних ионов и замены их другими. Процесс осуществляется с помощью ионообменных веществ — нерастворимых в воде гранулированных веществ, имеющих в составе кислотные или основные группы, способные заменяться положительными или отрицательными ионами. В качестве ионообменных материалов, называемых часто смолами, используются природные и синтетические вещества.
В технологии очистки воды ионный обмен обычно используют с целью умягчения воды (выделения из воды солей жесткости — кальция и магния) и обессоливания.
Из природных ионообменных материалов, применяемых для умягчения, наиболее известен глауконитовый песок, а из искусственных — сульфоуголь, катиониты КУ-1, КУ-2, СБС, КБ-4 и др.
Обменная емкость природных катионитов (ионообменных веществ, извлекающих катионы) составляет 125— 150 г-экв/м3. Искусственные катиониты имеют обменную емкость 400—600 г-экв/м3, но есть смолы и с емкостью до 2800 г-экв/м3. .
Основная реакция умягчения жесткой воды имеет вид 2ЫаЛ + Са2+ ^ CaR + 2Na+,
здесь символом R обозначена нерастворимая часть катионита» условно принятая двухосновным ионом.
Реакция обратима: в прямом направлении она символизирует извлечение из воды ионов жесткости (здесь кальция), а в обратном — регенерацию ионита раствором, например хлорида натрия.
В результате обменных реакций в воде появляются натриевые соли, не являющиеся солями жесткости. В то же время содержание бикарбонат-ионов не изменяется, и поэтому щелочность воды остается без изменений. Общее солесодержание несколько возрастает, так как каждый ион кальция с атомной массой 40,08 заменяется двумя ионами натрия, масса которых больше: 2*22,99 • 45,98; замена магния, если и она проходит по аналогичному уравнению, приводит к еще большему увеличению солесодержания.
После того как обменная емкость катионита исчерпана, катионитовый фильтр подвергают регенерации — восстанов-
лению его обменных свойств. Na-катионит восстанавливают концентрированным раствором NaCl (от 2 до 10%). Если катионит регенерировать раствором кислоты, то получится катионит в Н-форме. Н-катионитовый фильтр позволяет получить воду, лишенную солей кальция и магния, по той же схеме, что и для Na-катионита. При этом в воде появляются кислоты НС1 или H2SO4 в количестве, равном концентрации их анионов в исходной воде. Кислотность воды после Н- катионирования возрастает, pH снижается.
На практике нередко совмещают Na и Н- катионирование, что позволяет получить глубоко умягченную воду, лишенную в то же время агрессивных свойств (за счет щелочности после Na-катионирования и кислотности после Н-катионирования). Процесс Na и Н- катионирования можно выполнять по разным схемам. Одна из них предусматривает обработку одной части воды на Na-катионитовом фильтре, а другой — на Н-катионитовом, после чего оба фильтрата смешиваются. По другой схеме проводится последовательное фильтрование всего объема воды через один и другой фильтры. На ионитовые смолы нельзя подавать воду с содержанием взвешенных веществ более 5—7 мг/л, ибо они, забивая смолу, блокируют полезное ее использование. По тем же соображениям цветность воды также не должна быть высокой.
Общей обменной емкостью ионита называется количество извлекаемых ионов, которое ионит может воспринять, а полезной (или рабочей) емкостью — достигаемое количество извлекаемых ионов. Полезная емкость меньше общей, так как в условиях проведения процесса часть емкости недоиспользуется вследствие равновесного характера основной реакции и ряда технических факторов.
Обработку на ионообменниках можно проводить, преследуя цели двоякого рода, а именно: очистки воды, т.е. извлечения из нее нежелательных ионов (умягчение, обессоливание), или же концентрирования в ионообменном материале одного или нескольких ионов, которые затем при регенерации будут выделены в чистом виде.
На ионите со сложным комплексным ионом можно обеспечить проведение вторичной реакции, например окислительно-восстановительной. Так можно из воды извлечь сульфит- ион на анионитовую смолу в виде /?-NH3-HSO3, а затем на этой же смоле пройдет окисление сульфит-иона в сульфат-ион за счет растворенного кислорода.
И, наконец, о регенерации ионитов. Схема регенерации может быть как прямоточной, так и противоточной, т.е. по ходу основной фильтрации и против нее. Противоточная регенерация более эффективна.
Применение анионитов продемонстрируем на примере использования их в процессах обессоливания воды. В этом случае воду последовательно фильтруют через Н- катиониты и ОН-аниониты. При фильтрации через Н- катионит получается вода, содержащая НС1 и H2SO4. Эту воду пропускают через анионит [Ан ]ОН. В результате происходят обменные реакции:
[Ан]ОН + НС1 — [Ан]С1 + Н2О;
2[Ан]0Н + H2SO4 — [Ah]2SO4 + 2Н2О.
Обработку воды Н- и ОН-ионитами проводят последовательно в две-три ступени, при этом обработка воды на ОН-фильтре второй ступени позволяет удалить анионы слабых кислот — угольной и кремниевой. Одноступенчатая установка позволяет получить воду с солесодержанием 2— 10 мг/л, двухступенчатая — 0,1—0,3 мг/л и трехступенчатая — 0,05—0,1 мг/л.
Ионный обмен широко применяется для очистки сточных вод, содержащих тяжелые металлы, цианиды и т.п.
Г л а в а 15, ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В химических процессах обработки предполагается использование реагентов, что может изменить солевой состав воды. Химическая очистка воды применяется для снижения щелочности и жесткости, коррекции величины pH, изменения характера окисленности примесей, выделения из сточных вод отдельных видов загрязнений в осадок и т.п.
НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ
Нейтрализацией называется обработка воды с целью регулирования значения pH. Нейтрализация оказывается необходимой для предотвращения коррозионных процессов в трубопроводах, для поддержания оптимальных условий
жизнедеятельности микроорганизмов на очистных сооружениях систем водоотведения, перед сбросом некоторых видов очищенных сточных вод в водоем. Во всех перечисленных случаях в результате нейтрализации желательно иметь значение pH воды близким к 7.
Для обработки кислых вод в качестве нейтрализующих реагентов используются каустическая сода, кальцинированная сода и известь. Рассмотрим три основных случая, когда с помощью перечисленных реагентов требуется нейтрализовать воду, содержащую либо избыток СО2, либо HCI, либо H2SO4. Реакции нейтрализации записываются следующим образом:
СО2 + NaOH - NaHCO3;
(37)
HCI + NaOH - NACl + H2O;
(38)
H2SO4 + 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O;
(39)
CO2 + НагСОз + H2O - 2NaHCO3;
(40)
2HC1 + КагСОз - 2NaCl + H2O + CO3t;
(41)
H2SO4 + Na2CO3 - Na2SO4 + H2O + СОг!;
(42)
CO2 + Ca(OH)2 = Ca(HCO3)2;
(43)
2HC1 + Ca(OH)2 - CaCh + 2H2O;
(44)
H2SO4 + Ca(OH)2 = CaSO4| + 2H3O.
(45)
Выбор нейтрализующего реагента в каждом конкретном случае должен быть обоснован. В частности, следует учитывать: 1) в результате реакций нейтрализации (37)—(44) образуются хорошо растворимые соли* вследствие чего солесодержание обработанной воды возрастает; 2) выделяющийся в реакциях (41) и (42) СО2 может вызвать ряд нежелательных явлений: пено- образование, флотацию взвешенных частиц и т.д.; 3) нейтрализация серной кислоты известью (45) сопровождается образованием осадка, поэтому требуется отстаивание нейтрализованной воды. Образование относительно малорастворимого гипса и выпадение его в осадок приводит к значительным осложнениям, поскольку гипс откладывается на стенках трубопроводов и аппаратуры. Растворы гипса обладают способностью к пересыщению, что затем приводит к усиленной кристаллизации. Для уменьшения этого явления применяют рециркуляцию (возврат образующегося осадка в зону реакции). Возврат концентрированного раствора
препятствует пересыщению и способствует тем самым поддержанию условий равновесия.
Из рассмотренных реагентов наиболее часто применяется известь, что объясняется более низкой стоимостью ее по сравнению с NaOH и КагСОз.
Для нейтрализации щелочных сточных вод используются обычно сильные кислоты. Процесс протекает в соответствии с реакциями (38), (39), (41), (42), (44), (45).
При обработке сточных вод обязательно рассматривается возможность взаимной нейтрализации кислых и щелочных стоков, если и те и другие образуются в технологическом цикле производства.
При расчете количеств нейтрализующего реагента составляют стехиометрическое уравнение реакции и принимают величину на 10% выше расчетной. Если в обрабатываемой воде есть другие примеси, способные связывать нейтрализующий реагент, например, при нейтрализации кислых сточных вод с большим содержанием в них тяжелых металлов, количество реагента принимают с учетом этих дополнительных реакций.
ОСАЖДЕНИЕ
Химическое осаждение включает использование таких реагентов, взаимодействуя с которыми Примеси воды образуют малорастворимые соединения, выпадающие в осадок в соответствии с их пределом растворимости. Метод химического осаждения широко применяется в практике очистки природных и сточных вод. Примерами такой обработки воды являются реакции умягчения с применением извести или соды, фосфатное доумягчение с МазРОд, удаление сульфатов, фторидов, фосфатов, металлов, кремниевой кислоты и т.д. Рассмотрим реакцию умягчения воды известью и содой.
При добавлении в воду извести бикарбонаты переходят в карбонаты, что приводит к устранению кальциевой и магниевой карбонатной жесткости:
Са(НСОз)2 + Са(ОН)2 - 2СаССЫ + 2НгО;
Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2«Mg(OH)2t+ 2СаСОзИ 2Н2О.
Одновременно магниевые соли некарбонатной жесткости переводятся в кальциевые:
MgSO4 + Са(ОН)2 * Mg(OH)2| + CaS04;
MgCh + Ca(0H)2 - Mg(OH)2| + CaCh.
Таким образом, в результате известкования карбонатная жесткость может быть снижена до предела, который определяется растворимостью СаСОз и Mg (ОН) 2, что составляет при температуре 20°С примерно 0,3—0,4 мг-экв/л. Практически удается получать воду с карбонатной жесткостью 0,5—1 мг-экв/л вследствие легкости образования пересыщенных растворов СаСОз и Mg (ОН) 2 и необходимости вводить некоторый избыток извести для ускорения процесса. Осаждение СаСОз и Mg(OH)2 интенсифицируют добавкой коагулянта — РеОз или PeSO4. Соли алюминия в этом случае не применяются, так как при рН9 они переходят в алюминаты.
Второй вариант реагентного умягчения заключается в использовании извести совместно с содой. При известковом умягчении после осаждения карбонатов дальнейшего снижения жесткости не происходит, несмотря на выделение в осадок Mg (ОН) 2. Взамен магниевой жесткости в воде появляется кальциевая некарбонатная жесткость. Применение соды обусловливает дополнительное введение карбо- нат-ионов, в результате чего обменные реакции приводят к выпадению в осадок солей кальция:
CaSO4 + НагСОз = СаСОз I + Na2SO4;
СаС12 + ИагСОз = СаСОз I + 2NaCl.
Интенсификация процесса известково-содового умягчения достигается подогреванием воды.
Фосфатное доумягчение, проводимое после подогрева воды до температуры более 100°С (под давлением) в присутствии извести и соды, снижает остаточные кальциевую жесткость 0,2 мг-экв/л и магниевую 0,1 мг- экв/л до 0,04—0,05 мг-экв/л. Уравнения реакции фосфатной обработки записываются следующим образом:
ЗСа(НСОз)2 + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2t+ 6NaHCO3;
3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4>2l+ 6NaHCO3;
3CaCl2 + 2Na3PO4 = Саз(РО4)21 + 6NaCl;
3MgSO4 + 2Na3PO4 = Mg3(PO4)2;+ 3Na2SO4.
Фториды удаляют солями кальция: ■
2NaF + СаСОз = СаРг + ИагСОз.
Химическое осаждение — один из методов очистки сточных вод от ионов металлов. Как правило, металлы
осаждаются в виде малорастворимых гидроксидов или су
льфидов:
Zn2+
+
2OH" - Zn(OH)2l
(46)
Zn2+
+
S2' - ZnSl
(47)
Cu2+
+
2OH" - Cu(OH)2l
(48)
Cu2+
+
S2" - CuSI
(49)
Cd2+
+
2OH' - Cd(OH)2l
(50)
Cd2+
+
S2' - CdS|
(51)
Pb2+
+
2OH' - Pb(OH)2i
(52)
Pb2+
+
S2" = PbS 1
(53)
Полнота осаждения существенно зависит от величины pH. Например, для амфотерных гидроксидов Zn2+ и Си2+ оптимальные значения pH составляют для реакции (46) — 10—11, для реакции (48) — 8—10. Практически для всех этих металлов произведение растворимости сульфидов ниже, чем гидроксидов, поэтому в реакциях (47), (49), (51), (53) достигается более глубокое осаждение металлов. Однако сульфиды не осаждают катионы Сг , для удаления которых применяют щелочи:
Сг3* + 3(ОН") = Сг(ОН)зк
Катионы Zn2+, Cu2+, Pb2+ могут быть выделены из растворов карбонатами в виде труднорастворимых соединений типа ZnCO3Zn(OH)2.
Гидроксиды и сульфиды многих металлов образуются в виде очень мелкодисперсных частиц, перевод которых в осадок требует дополнительной обработки воды коагулянтами.
Во всех случаях применения химического осаждения необходимо знать кинетику реакций, растворимость образующихся веществ и кинетику их осаждения.
ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Реакции окисления и восстановления применяются дл перевода токсичных и вредных примесей в нетоксичные или нерастворимые. На этих реакциях основаны, например, удаление железа и марганца из природных вод, детоксикация цианидов и хроматов при очистке сточных вод.
Возможность взаимодействия между веществами, элементы которых способны изменять степень окисления, определяется окислительно-восстановительным потенциа-
лом Е. Каждую окислительно-восстановительную реакцию можно разделить на две полуреакции. Например, реакцию:
Zn + Cu2+ ^ Zn2+ + Си
можно разделить на две полуреакции:
Си2+ + 2ё - Си; Zn — 2ё = Zn2+.
Электродвижущие силы этих полуреакций называются электродными потенциалами. Соответственно окислительно-восстановительный потенциал (ОКВ-потенциал) общей реакции представляет собой разницу электродных потенциалов полуреакций. От величины и знака ОКВ- потенциала зависят возможность реакции и ее направление. Для всех элементов, способных менять степень окисления, составлены таблицы нормальных или стандартных значений электродных потенциалов полуреакций. Стандартный электродный потенциал — это потенциал данного электродного процесса при активностях всех участвующих в нем веществ, равных 1, и t ~ 25°С. Он выражается по отношению к реакции превращения водорода Н° — е' = * Н+, стандартный потенциал которой условно принимается за нуль.
В табл. 3 приведены значения стандартных ОКВ- потенциалов важнейших реакций, используемых при очистке воды.
Таблица 3. ОКВ-потенциалы в водных растворах при температуре 25°С и при парциальном давлении газов, равном нормальному атмосферному давлению
Уравнение процесса
Электродный потенциал, В
О3+2Н+ + 2е“х 02 + Н,0
+2,07
С1г + 2е~х.- 2СГ
+1,39
Сг2О^. + 14Н+ + бе2Cr3+ + 7Н 2О
+1,33
МпОг + 4Н+ + 2е 5: Мп2+ + 2Н2О
+1,23
NH,+ + 2H,0 х NO7 + 8H+ + 6e"
+0,897
МОг + Н7О XNO3 + 2H+ + 2e"
+0,835
Fe^ + e" х Fe2+
+0,77
SO^ + 4Н+ + 2е“ г H2SO3 + Н2О
+0,17
Окислительные реакции используются при детоксикации цианидов в сточных водах. Окислителями могут быть хлор и хлорсодержащие реагенты:
NaCN + Ch + 2NaOH = NaCNO + 2NaCl + H2O.
Образовавшиеся цианаты гидролизуются:
2NaCNO + 4Н2О - (ЬШ4)2СОз + Na2CO3.
Восстановление в сочетании с последующим химическим осаждением применяется для очистки сточных вод от соединений хрома (VI):
K2Cr2O7 + 3NaHSO3 + 4H2SO4 - Сг2(8О4)з +
+ K2SO4 + 3NaHSO4 + 4Н2О;.
Сг2(8О4)з + 6NaOH - 2Сг(ОН)з1 + 3Na2SO4.
Окислительные методы находят применение для устранения запахов и привкусов Природной воды, для доочистки сточных вод от остаточных органических веществ. Окислителями в этих процессах наиболее часто служат перманганат калия, хлор и озон.
Глава 16. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Биологические процессы применяются преимущественно при очистке сточных вод. Биологическим путем с участием микроорганизмов перерабатываются загрязнения, находящиеся в воде в растворенном, коллоидном и нераство- ренном состоянии. Помимо органических веществ переработке подвергаются некоторые неокисленные неорганические соединения, такие, как сероводород, аммиак, нитриты.
В широком наборе сооружений биологической очистки, которыми мы располагаем сегодня, использованы, по существу, все известные метаболические особенности микроорганизмов. Существуют сооружения, в которых биоценозы развиваются в аэробных или анаэробных условиях, в условиях мезофильных или термофильных температур. Биоценозы могут быть представлены преимущественно гетеротрофными или автотрофными микроорганизмами.
Любое сооружение для биологической обработки тех или иных субстратов является своеобразной экологической системой с определенными условиями и со сложившимся
биоценозом. От естественных экосистем, примерами которых могут служить водоемы или их участки, искусственные экосистемы очистных сооружений отличает высокая плотность бионаселения, высокая концентрация питательных веществ, возможность поддержания в них оптимальных условий для жизнедеятельности организмов биоценоза. Все эти особенности искусственных экосистем в совокупности позволяют добиться высокой интенсивности биохимических процессов в очистных сооружениях. В то же время по своей сущности процессы биологического окисления в природных условиях и в очистных сооружениях аналогичны.
АЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Очистку сточной воды в аэробных условиях осуществляют в сооружениях двух основных модификаций: в аэротенках с активной биомассой (активный ил), взвешенной в воде, или в биофильтрах, где активная биомасса (биопленка) прикреплена к зернам инертной загрузки.
Состав микрофлоры и микрофауны илов и биопленки формируется в зависимости от экологических условий, основными из которых являются состав обрабатываемых сточных вод, уровень растворенного кислорода, температура, pH, соотношение количества пищи и микроорганизмов, наличие токсичных веществ и т.д.
Бионаселение активного ила и биопленки образует сложный биоценоз, представленный бактериями, простейшими, грибами, водорослями и некоторыми многоклеточными организмами, такими, как коловратки, черви, личинки насекомых.
Основную роль в процессах окисления органических и некоторых неорганических примесей сточных вод играют бактерии. Общее количество их в активном иле достигает 108—1014 клеток на 1 г сухого вещества. К числу самых распространенных видов бактерий относятся псевдомонады. Кроме них в илах городских очистных сооружений обнаруживают бактерии родов Bacillus, Bacterrium, Achromobacters Zoogloea и др., а также семейства энтеробактерий. В активном иле практически всегда присутствуют актиномицеты.
Из животного населения ила наиболее многочисленны простейшие, представленные двумя типами: саркомастигофорами
и инфузориями. Роль простейших многопланова. Они питаются бактериями, поддерживая в иле бактериальное равновесие. Поедая наряду с молодыми старые клетки, простейшие обусловливают омоложение ила и развитие новых жизнеспособных клеток. Кроме того, высвобождается в воду дополнительное количество экзоферментов. Простейшие питаются также частицами исходных загрязнений, благодаря чему происходит дополнительное осветление воды. По численности простейших и их состоянию, определяемому по внешнему виду, можно судить об условиях работы очистного сооружения и намечать меры оперативного управления процессом.
В иле хорошо работающего аэротенка обычно находят 10—15 видов простейших, достаточно равномерно представленных либо с незначительным преобладанием одно-двух видов. В таком иле редко обнаруживаются мелкие амебы и жгутиковые, в основном развиваются разнообразные инфузории с преобладанием брюхоресничных и кругоресничных.
Любое нарушение в работе аэротенка приводит к снижению числа видов простейших, преобладанию одного или двух видов, к изменению размера и подвижности организмов. Так, при недостатке в сооружении кислорода преимущественное развитие получают простейшие, способные существовать в условиях кислородного дефицита. Это в основном жгутиковые, из инфузорий развивается инфузория-туфелька. Вортицеллы отрываются от стебелька и раздуваются. У кругоресничных инфузорий ресничный диск замкнут. Некоторые индикаторные простейшие активного ила показаны на рис. 28.
Кроме простейших фауна активного ила представлена коловратками, выполняющими те же функции, что и простейшие. Реже в иле появляются черви.
Видовой состав бактерий биопленки практически не отличается от активного ила, при условии обработки сточных вод одного и того же состава.
Существенные различия между активным илом и биопленкой наблюдается в составе фауны. В биопленке в большом количестве развиваются черви, потребляющие в качестве питания избыточную биомассу. Минерализуя биопленку, они способствуют ее выносу из загрузки, а прорывая ходы в биопленке, черви облегчают доступ кислорода к глубоким ее слоям.
Рис. 28. Некоторые индикаторные простейшие активного ила
Организмы — показатели хорошей работы аэротенка: 1 — Arcella discoides; 2 — Aspidisca turrida; 3 — Opercularia glomerate; 4 — Epistylis plica tills; 5 — Oxy tricha pellionelia; 6 — Tokophrya lemnarum.
Организмы — показатели плохой работы аэротенка: 7 — Utonotus lamella; 8 — Colpoda steini; 9 — Podophrya collini; 10 — Bodo edax
Фауна биофильтров подвержена сезонным изменениям. В определенные периоды года в биофильтре развивается множество очень прожорливых личинок и куколок насекомых. Поедая биопленку, они, как и черви, минерализуют ее.
Закономерности биохимического окисления органических веществ в аэробных условиях. Активный ил имеет вид хлопьевидной массы со средним размером хлопьев 1—4 мм. Он имеет очень развитую поверхность, сос-
тавляющую около 100 м2 на 1 г сухого вещества, что обусловливает его большую адсорбционную способность. Благодаря столь значительной поверхности активного ила уже через несколько минут контакта его со сточной водой основная масса загрязнений оказывается сорбированной хлопьями ила. Активный ил обладает высокой гидролизной активностью, гидролитические экзоферменты располагаются на поверхности бактериальных клеток, что исключает потери продуктов гидролиза в окружающую среду. Благодаря действию экзоферментов на поверхности клеток образуется сложный комплекс исходных веществ, ферментов и продуктов ферментативного гидролиза. Последние переносятся внутрь клетки, где и происходит их окисление (см. рис. 14). Процессы окисления часто протекают значительно медленней, чем изъятие веществ из сточной воды хлопьями ила. В этом случае можно после небольшого периода аэрации отделить ил от воды и продувать его воздухом без подачи питательных веществ (сточной воды). Такой процесс называют регенерацией активного ила, в ходе которой ил восстанавливает свою биохимическую активность. В процессе регенерации окисляются коагулированные илом коллоидные и нерастворимые примеси и продолжается развитие бактериальной культуры, что приводит к увеличению числа жизнеспособных клеток.
Для гетеротрофных бактерий активного ила загрязнения сточных вод одновременно служат источниками и энергии, и основных биогенов для синтеза клеточного вещества.
Часть загрязнений, потребляемая в энергетическом обмене, окисляется бактериями полностью в процессе аэробного дыхания (см. 16).
Если сумму органических загрязнений сточных вод обозначить через CxHyOzN, то процесс очистки от этих загрязнений можно представить следующими условными реакциями:
Процесс (54) символизирует окисление загрязнений сточных вод с целью получения энергии, которая необходима для синтеза клеточного вещества C5H7NO2 в
процессе (55). Условная формула C5H7NO2 показывает соотношение элементов в биомассе активного ила.
Когда основная часть питательных веществ сточной воды использована, начинается самокисление активного ила:
C5H7NO2 + О2 — 5СО2 + NH3 + 2НгО + энергия. (56)
К этому моменту в среде создаются благоприятные условия для развития автотрофных бактерий — нитрификаторов, окисляющих аммонийный азот по реакциям (4) и (5).
Вновь синтезированная биомасса или прирост ила (55) удаляется из системы для последующей обработки. Эта часть активного ила называется избыточным илом»
Для нормальной жизнедеятельность активного ила необходимо достаточное количество биогенных элементов — азота и фосфора. Потребности клеток в фосфоре относительное невелики, поэтому в условных реакциях (54), (55) и (56) фосфор не фигурирует. Считается, то при очистке городских сточных вод на каждые 100 частей загрязнений, описываемых величиной ВПК, в среде должно быть 5 частей азота и 1 часть фосфора. Иными словами должно соблюдаться соотношение БПК:Ы:Р - 100:5:1.
Количество кислорода рассчитывается как сумма расхода кислорода на реакции (54), (55), на частичное окисление ила и в системах с нитрификацией на окисление аммонийного азота (4) и (5). Примечательно, что затраты кислорода в процессах энергетического обмена (54) и синтеза клеточного вещества (55) составляют БПКполн очищаемой воды.
АНАЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В технологии очистки городских сточных вод анаэробное окисление применяют в основном к концентрированным субстратам. На станции биологической очистки к их числу относятся сырой осадок, образующийся при предварительном (перед биологической очисткой) отстаивании сточной воды, и избыточный активный ил, или биопленка Осадок и активный ил относятся к группе гидрофильных органических субстратов, легко загнивающих и потому подлежащих обработке.
Основными органическими компонентами осадка и ила являются белки, жиры и углеводы, в сумме составляющие 75—85% беззольного (органического) вещества. Остальные 15—20% приходятся на долю лигнино-гумусового комп-
лекса. Количественные соотношения веществ указанных классов в осадке и иле заметно различаются. В активном иле больше белков, так как он представляет собой живую биомассу, а осадке преобладают жиры и углеводы.
Важная характеристика осадка и ила — бактериальная обсемененность и наличие яиц гельмитов. Около 40—50% бактерий, присутствующих в сточной воде, и примерно
столько же яиц гельмитов при отстаивании переходят в
осадок. Еще около 40% биологических загрязнений ока
зывается в активном иле. Так как суммарный объем этих осадков обычно не превышает 1% от объема сточной воды, очевидно, что концентрация биологических загрязнений в них существенно больше, чем в исходной воде. Так, со
держание коли-форм в 1 г сухого вещества осадка составляет 107—108, активного ила — 106—107. Это делает
осадки чрезвычайно опасными в санитарно-эпидемиологическом отношении, поэтому одной из целей обработки осадков является из обезвреживание.
Анаэробное окисление органических компонентов осадка осуществляют по типу брожения (см. 16). Брожение
называют метановым, так как метан — один из конечных
продуктов процесса. ■
Процесс сбраживания можно проводить либо в мезофильном режиме при 30-35°С, либо в условиях термофильных температур 50—55°С. В последнем варианте достигается полное обезвреживание осадков.
Биоценоз микроорганизмов, сбраживающих осадок, называют анаэробным илом» В отличие от активного ила аэротенков анаэробный ил — чисто бактериальный с чрезвычайно разнообразным населением. Условно бактериальное население анаэробного ила можно разделить на две группы, кислотообразующие бактерии и метаногенные или метанообразующие бактерии.
Кислотообразующие бактерии представлены облигатными и факультативными анаэробами. Из бродящего осадка разными исследователями выделено от 50 до 92 видов бактерий, из них около половины способны образовывать споры. В совокупности кислотообразующие бактерии способны использовать в качестве источников энергии и элементов для конструктивного обмена все компоненты осадка и ила. Время генерации многих видов кислотообразующих бактерий составляет 20—60 мин. Они способны жить в
широком интервале значений pH и окислительно-восстановительного потенциала.
Виды метанообразующих бактерий немногочисленны и относятся в трем родам: Methanobacterium, Methanococcus, Methanosarcina. Все метаногенные бактерии — облигатные анаэробы, очень чувствительные к любым даже слабым окислителям. Оптимум pH и ОКВ ограничен очень узким интервалом, соответственно 6,8—7,5 и (—510)— (—590) мВ. Они очень медленно размножаются: время генерации составляет от 24 ч до нескольких суток.
Закономерности биохимического окисления веществ в анаэробных условиях. Последовательность биохимических превращений сложных органических компонентов осадка и активного ила в процессе брожения принято описывать схемой Баркера. В соответствии с этой схемой метановое сбраживание представляют как двухстадийнь^й процесс, включающий стадии кислотообразования и метанообразо- вания.
Стадия кислотного брожения. Эту стадию осуществляют кислотообразующие бактерии. Обладая высокой гидролитической активностью, бактерии гидролизуют белки, жиры и углеводы осадка и ила, превращают их в соединения, легко проникающие внутрь клеток. Внутриклеточные превращения продуктов гидролиза белков, жиров и углеводов (см. 16) приводят к образованию кислот и спиртов жирного ряда, Нг и СОг. Более 70% образовавшихся кислот приходится на долю уксусной кислоты, около 25% составляют масляная и пропионовая кислоты, в небольших количествах образуются капроновая и валериановая кислоты.
Стадия щелочного или метанового брожения. Метаногенные бактерии, осуществляющие эту стадию, не способны утилизировать сложные органические компоненты осадков,но потребляют низшие жирные кислоты и соответствующие спирты — продукты метаболизма кислотообразующих бактерий. Биологическая роль образования метана состоит в получении клеткой необходимой энергии.
Существуют два основных пути образования метана.
Восстановление метильной группы уксусной кислоты и метилового спирта:
СНзСООН —СН4 + СО2;(57)
4СН3ОН ~ ЗСН4 + СО2 + Н2О.(58)
Рис. 29. Биохимические превращения веществ на стадии метанообра- зования■
Восстановление диоксида углерода:
4АН2 + СО2^СН4 + 2Н2О + А,(59)
где АНг — жирные кислоты, кроме уксусной, и спирты, кроме метилового.
Например, превращение этилового спирта происходит в соответствии с реакцией:
2СНзСН2ОН + СО2 — СН4 + 2СН3СООН.
По типу реакции (59) происходит и восстановление молекулярным водородом — продуктом первой стадии брожения:
4Н2 + СО2 ^ СН4 + 2Н2О.
Общая схема превращения низших жирных кислот и соответствующих спиртов в процессе метанового брожения показана на рис. 29.
Считается, что около 70% метана образуется в реакциях (57) и (58), а остальные 30% — при восстановлении диоксида углерода (59). Образующийся в процессе брожения газ состоит из метана (65 — 70%) и СО2.
В нормально работающем метантенке обе стадии брожения идут синхронно. Любые нарушения режима сбраживания (перегрузка, перегрев, изменение ОКБ) в первую очередь сказываются на метаногенных бактериях, поэтому усилия технологов направлены на поддержание оптимальных условий жизнедеятельности метанообразующих бактерий.
Г л а в а 17. ПРОЦЕССЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
Одной из основных задач очистных сооружений водопровода и канализации является предотвращение возможного распространения через воду кишечных инфекций. Эффективность работы станций полной биологической очистки сточных вод по удалению бактериальных загрязнений обычно составляет 90—95%. Коагулирование, отстаивание и фильтрование воды на водопроводных станциях также обеспечивают изъятие основной части микрофлоры и микрофауны природной воды. Однако санитарно-эпидемиологическая безопасность воды обеспечивается только при условии ее обеззараживания.
Под обеззараживанием понимают дезинфекцию воды, т.е. удаление из нее и уничтожение патогенных микроорганизмов. Обеззараживание воды может быть достигнуто многими способами: тепловой обработкой, действием ультразвуковых колебаний, ультрафиолетового или ионизирующего излучения, сильных окислителей и т.д.
Любой вид обеззараживания приводит к поражению и гибели бактериальной клетки в результате свертывания белков цитоплазмы или нарушения пограничных структур клетки, или химического взаимодействия обеззараживающего агента с клеточными веществами. Бактерицидные агенты могут обладать и комбинированным действием, под которым подразумевается одновременное проявление нескольких механизмов поражения клетки.
Свертывание белков происходит при тепловой обработке и при действии электролитов, приводящих к коагуляции коллоидов цитоплазмы. Повреждение белковых структур и, в частности, ферментов вызывают соли серебра и меди. Особенностью этих соединений является их способность 188
оказывать микробоцидное действие в очень малых концентрациях (олигодинамическое действие).
На поверхностные структуры клетки воздействуют СПАВ, некоторые антибиотики, фенолы, спирты. Например, СПАВ, сорбируясь на поверхности клетки, нарушают проницаемость оболочки и цитоплазматической мембраны, что приводит к нарушению равновесия клетки с окружающей средой и ее гибели. Механическое нарушение целостности клеточной стенки и мембраны вызывается действием ультразвука.
Разрушение молекулярных структур цитоплазмы происходит под действием ионизирующего облучения, способного вызывать ионизацию атомов и молекул.
Микробоцидное действие сильных окислителей объясняется их способностью вступать в химическое взаимодействие с компонентами цитоплазматической мембраны и разнообразными биополимерами цитоплазмы клетки.
Для обеззараживания питьевых и сточных вод чаще всего применяют обработку воды сильными окислителями. В качестве окислителей используют хлор и его соединения (хлорная известь, диоксид хлора), а также озон. Для обеззараживания подземных од применяют и бактерицидное облучение. ,
Эффективность снижения бактериальных загрязнений сточных вод на станциях полной биологической очистки с обеззараживание повышается до 99:5—99,9%. Коли-индекс биологически очищенных сточных вод, сбрасываемых в водоем, не должен при этом быть выше 1000. Обеззараживанием воды на коммунальных водопроводах обеспечивает практически полное уничтожение коли-форм (коли-индекс не более 3). Сильные окислители, однако, не оказывают губительного действия на яйца гельминтов.
Как уже говорилось, в санитарном отношении осадки представляют еще большую опасность, чем сточная вода. Обезвреживание и полная дегельминтизация осадков сточных вод достигаются в результате анаэробного сбраживания их в термофильных условиях U * 50—55°С). В мезофильном режиме (при температуре 30—33°С) погибает около половины яиц гельминтов. При отсутствии на станциях метантенков обеззараживание осадка осуществляют с помощью газовых горелок инфракрасного излучения, прогревом осадка острым паром до t * 60—65°С, известкованием или компостированием.
Перечисленные методы применимы для обработки небольших количеств осадков.
ХЛОРИРОВАНИЕ
Хлор при введении в воду гидролизуется с образованием хлорноватистой и соляной кислот:
С12 + Н2о ^ НОС1 + НС1.(60)
Хлорноватистая кислота диссоциирует на ионы НОС1=^ =*Н+ + ОСГ. Равновесие между С12, НОС1 и ОСГ зависит от pH среды. Бактерицидным действием обладает недиссоциированная хлорноватистая кислота, поэтому обеззараживание хлором эффективней в кислой среде при pH * * 4—7, когда в воде присутствуют в основном молекулы HOCL
В процессе обеззараживания хлор расходуется на окисление органических примесей, содержащихся в воде, поэтому для обеспечения надежного бактерицидного эффекта в обработанной воде поддерживают определенную концентрацию остаточного хлора. Зависимость между дозой введенного и концентрацией остаточного активного хлора выражается кривой, показанной на рис. 30. Отрезок ОЛ соответствует полной хлоропоглощаемости воды. Чем больше в воде веществ, способных окисляться хлором, тем больше величина хлоропоглощаемости. Для обеззараживания сточных вод поэтому требуются большие дозы хлора. Так, для обеззараживания воды из подземных источников доза активного хлора по СНиПу должна составлять 0,7—1 мг/л, сточной воды после полной биологической очистки — 3 мг/л, а сточной воды, прошедшей только механическую очистку, — 10 мг/л.
При эксплуатации очистных сооружений требуемую дозу хлора уточняют экспериментально пробным хлорированием, по результатам которого строят кривую хлоропоглощаемости воды (см. рис. 30). Задаваясь концентрацией остаточного свободного хлора, определяют необходимую дозу хлора. При хлорировании питьевой воды концентрация остаточного свободного хлора должна быть не менее 0,3 и не более 0,5 мг/л. Количество остаточного хлора в сточной воде после 30 мин контакта должно быть не менее 1,5 мг/л.
Хлорирование воды при наличии в ней аммиака или солей аммония требует большего расхода хлора, так как
ДОЗА ВВЕДЕННОГО ХЛОРА, мг/лДОЗА ВВЕДЕННОГО ХЛОРА, мг/лРис. 30. Хлоропоглощаемость воды
ДОЗА ВВЕДЕННОГО ХЛОРА, мг/л
ДОЗА ВВЕДЕННОГО ХЛОРА, мг/л
он связывается с указанными соединениями, образуя хлорамины:
NH3+ НОС1 “* NH2C1 + Н2О;
NH2CI + НОС1 — NH2CI + Н2О;
NHC12 + НОС1 NC13 + Н2О.
Этому процессу соответствует участок / графика, приведенного на рис. 31. С повышением дозы вводимого хлора в воде постепенно возрастает концентрация остаточного хлора, связанного в хлорамины. Хлорамины обладают более слабым микробоцидным действием, чем хлор, поэтому для обеспечения требуемого эффекта обеззараживания концентрации остаточного связанного хлора в воде должна быть 0,8—1,2 мг/л.
Если продолжать вводить хлор в воду после связывания всех аммонийных соединений в хлорамины, то начинается окисление их свободной хлорноватистой кислотой:
'NH2CI + NHCh + НОС1 — N2O + 4НС1;
< NH2CI + Н2О — NH(OH)C1 + НС1;
NH(OH)C1 + 2НОС1 — HNO3 + 3HCL
С начала протекания реакций окисления хлораминов количество остаточного связанного хлора в воде уменьшается, несмотря на увеличение дозы введенного хлора (участок //). После окончания реакций окисления хлораминов в воде появляется остаточный свободный хлор, и его количество становится пропорциональным дозе введенного хлора (участок ПГ). Поэтому при хлорировании воды, содержащей аммионийные соединения, требуемая доза определяется по прямой за точкой Б, которая называется точкой перелома»
При хлорировании воды, содержащей фенолы, в ней могут появиться неприятные запахи, обусловленные обра-
ДОЗА ВВЕДЕННОГО ХЛОРА, мг/лДОЗА ВВЕДЕННОГО ХЛОРА, мг/лРис. 31. Хлоропоглощаемость воды в присутствии аммонийных солей
ДОЗА ВВЕДЕННОГО ХЛОРА, мг/л
ДОЗА ВВЕДЕННОГО ХЛОРА, мг/л
зованием хлорфенольных соединений. Для предотвращения образования запахов проводят хлорирование с аммонизацией. В воду сначала вводят аммиак, а затем хлор. Образующиеся хлорамины препятствуют взаимодействию фенолов с хлором, что предотвращает образование хлорфенольных запахов.
Кроме газообразного хлора для обеззараживания воды могут быть использованы его соединения, из которых чаще всего используют гипохлориты натрия и кальция. При растворении в воде происходит гидролиз этих соединений с образованием хлорноватистой кислоты:
NaOCl + Н2О^НОС1 + NaOH.
Так же, как и в случае использования газообразного хлора, соотношение между недиссоциированной хлорноватистой кислотой и гипохлорит-ионом определяется величиной pH.
В последние годы разработан и находит применение электрохимический метод обеззараживания воды. Электролизу подвергают морскую, соленую подземную воду или раствору поваренной соли. В процессе электролиза протекают следующие реакции: на аноде 2СГ Ch + 2ё; нд катоде Н2О ОН" + Н+. Выделяющийся на аноде хлор гидролизуется [см. реакцию (60) ] с образованием хлорноватистой кислоты. Водород выделяется из раствора в виде газа: 2Н+ + 2ё — H2t, а ионы гидроксида связываются с ионами натрия: ОН" + Na+-*NaOH. В результате взаимодействия хлорноватистой кислоты и щелочи образуется гипохлорит натрия:
НОС1 + NaOH—NaOCl + Н2О.
Электролиз морской воды позволяет получить продукт с концентрацией активного хлора до 3 г/л. Более высокие 192
концентрации (до 8 г/л) могут быть получены при электролизе растворов поваренной соли.
Сущность процессов, протекающих при добавлении продуктов электролиза к обеззараживаемой воде, не отличается от общих закономерностей хлорирования. Применение электрохимического метода обеззараживания позволяет избежать трудностей, связанных с транспортированием и хранением токсичного газообразного хлора.
ОЗОНИРОВАНИЕ
Озон является аллотропической модификацией кислорода и представляет собой бледно-фиолетовый газ, очень токсичный, с характерным запахом, обнаруживаемым даже при разбавлении 1:10. Основные преимущества использования озона для обеззараживания воды (по сравнению с хлором) объясняются его свойствами. Озон — более сильный окислитель, и поэтому наряду с микробоцидным действием способствует улучшению органолептических свойств воды: снижению цветности и устранению запахов. Интенсивность микробоцидного действия озона зависит от вида микроорганизмов и характера примесей, содержащихся в воде.
Быстрое воздействие оказывает озон на вегетативные клетки бактерий и основную часть вирусов. Однако, если в воде присутствуют легко взаимодействующие с озоном вещества, такие, как соединения двухвалентного железа, гуминовые кислоты, одноатомные фенолы, их окисление предшествует инактивации бактерий и вирусов. Более устойчивы к действию озона спороносные бактерии. Из наиболее характерных органических примесей воды труднее окисляются фульвокислоты, нефтепродукты, СПАВ, пестициды. Озон, энергично окисляет фенольные соединения, поэтому обработка озоном воды, содержащей фенолы, предпочтительнее, чем хлором.
В воде озон достаточно быстро распадается с образованием кислорода. Озон образуется из кислорода при пропускании через него "тихого” электрического разряда. В промышленных условиях для получения озона используют генераторы озона — трубчатые озонаторы. Для производительной работы озонатора необходимы тщательная очистка и высушивание используемого кислорода или воздуха и обязательное его охлаждение.
Для смешения озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой в зависимости от качества воды и производительности установки применяют барботажное перемешивание, механические турбинные смесители, водоструйные насосы и эжекторы.
Расход озона, обеспечивающий обеззараживание воды, зависит от ее качества, концентрации озона в озоно-воздушной смеси, вида смесителя, температуры воды и других факторов. Необходимая доза озона при обеззараживании питьевых вод составляет 0,75—3 мг/л. Концентрация остаточного озона после камер смоления поддерживается на уровне 0,1—0,3 мг/л.
Применение озона для обеззараживания сточных вод оправданно в тех случаях, когда по тем или иным причинам невозможно осуществлять хлорирование. Например, при наличии в сточной воде соединений, образующих с хлором вещества, усиливающие цветность, запах или токсичность воды; при невозможности разместить склады с хлором на станции очистки из-за близости жилого массива; при комплексном использовании озона для обеззараживания воды и окисления вредных примесей, которые невозможно или экономически невыгодно устранять другими методами.
С целью уменьшения расхода озона целесообразно озонировать сточные воды после доочистки на микрофильтрах или на фильтрах. Дозы озона для обеззараживания сточных вод составляют 6—10 мг/л. Продолжительность контакта принимается равней! 8—20 мин.
БАКТЕРИЦИДНОЕ ОБЛУЧЕНИЕ
Бактерицидное действие на микроорганизмы оказывают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 200—295 мм. Такой диапазон излучения дают аргоио-ртутные лампы низкого давления и ртутно-кварцевые лампы высокого давления.
Этот метод относится к числу физических безреагент- ных методов. Его основное преимущество перед описанными выше химическими методами обеззараживания заключается в отсутствии изменений в составе и свойствах обеззараживаемой воды.
Бактерицидное облучение применяется главным образом для обеззараживания подземных вод, удовлетворяющих требованиям стандарта на питьевую воду по органолептиче-
скому и токсикологическому показателям вредности и имеющих коли-индекс не выше 1000.
Эффективность бактерицидного облучения зависит от количества затраченной энергии, т.е. один и тот же эффект обеззараживания может быть достигнут при длительном облучении с малой интенсивностью или, наоборот, при короткой экспозиции, но с большой интенсивностью облучения.
Глава 18. ПРОЦЕССЫ САМООЧИЩЕНИЯ ВОДОЕМОВ
Вода открытых водоемов является естественной средой обитания разнообразных организмов (гидробионтов) растительного и животного происхождения.
Гидробионты в водоемах образуют биоценозы, количественный и качественный состав которых обусловлен рядом физических, химических и биологических факторов. Открытые водоемы отличаются большим разнообразием и непостоянством как химического состава, так и микронаселения воды. Последнее складывается из собственного микронаселения, присущего данному водоему (автохтонного), и микроорганизмов, поступающих в водоем с различными источниками загрязнения и приспособившихся к условиям существования в данном водоеме.
В сложных биологических сообществах, формирующихся в водоеме, в зависимости от места обитания различают несколько биоценозов.
Планктон — совокупность организмов, населяющих толщу воды. Организмы планктона представлены растительными (фитопланктон) и животными (зоопланктон) формами. Размеры их колеблются в значительных пределах, в связи с чем различают: ультрапланктон (бактерии), карликовый планктон (мельчайшие низшие растения и простейшие), микропланктон (большинство водорослей, инфузории, коловратки, мелкие ракообразные). Состав планктона зависит от степени загрязненности воды, от гидродинамических условий в водоеме, от времени года. Зимой количество планктонных организмов снижается до минимума. Весной начинается массовое развитие диатомовых, затем зеленых водорослей и цианобактерий. Это, в
свою очередь, приводит к развитию зоопланктона, представители которого питаются водорослями.
Бентос — совокупность растительных и животных организмов, обитающих на дне и в толще донных осадков. Различают макробентос — организмы, имеющие размеры более 1 мм, и микробентос — организмы, имеющие размеры менее 1 мм. Бактериобентос представлен аэробными и анаэробными сапрофитами. Фитобентос значительно развит только в водоемах с прозрачной водой. Наиболее богат бентос животными организмами: простейшими, коловратками, олигохетами, нематодами, личинками насекомых, моллюсками. Видовой состав зообентоса зависит от характера и степени загрязненности грунта.
Перифитон, или оброет, развивается на погруженных в воду растениях, подводных предметах, водоводах и т.д. Основную массу этою биоценоза составляют прикрепленные организмы, но есть и свободно плавающие. В состав перифитона входят зеленые водоросли, диатомеи, ресничные и сосущие инфузории, коловратки, олигохеты, некоторые виды моллюсков.
В экологическую систему водоема как составная часть входит и высшая водная растительность (макрофиты). К числу наиболее распространенных макрофитов относятся: погруженные и взвешенные в толще воды рдесты, роголистник, элодея; из растений с плавающими листьями — горец земновидный и ряска; из надводных — тростник, рогоз, камыш. Последний развиваются преимущественно в зоне глубиной до 1,5 м.
ИСТОЧНИКИ И ХАРАКТЕР ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ
Следует различать первичное и вторичное загрязнение водоемов. Основными источниками первичного загрязнения являются сбросы бытовых и производственных сточных вод, а также поверхностный сток с площади водосбора. Последний содержит органические и минеральные вещества, вымываемые из почвы, микрофлору почвы, в том числе микробы физиологических выделений человека и животных. В период паводка часть прибрежной полосы вместе с растительным покровом затопляется. Процесс этот сопровождается интенсивным распадом остатков растений, в результате чего в водоем поступает значительное количество органических веществ.
С очищенными сточными водами городской канализации в водоем попадают недоокисленные органические соединения (в основном трудноокисляемые), взвешенные частицы активного ила, содержащие массу бактерий и простейших, и целый ряд неорганических соединений, к числу которых относятся соединения биогенных элементов (азота и фосфора), соли тяжелых металлов, сульфаты, хлориды и т.д.
Серьезную опасность для водоема представляют сточные воды промышленных предприятий. Характер загрязнений, вносимых в водоем с производственными стоками, крайне разнообразен. Одни из них, такие, как цианиды, соединения мышьяка, фенолы, являются ядами для гидробионтов, другие, например клетчатка и лигнин (непременные компоненты стоков целлюллозных комбинатов), сами нетоксичны, но разложение их в водоеме приводит к образованию монокарбоновых кислот, меркаптанов, сероводорода — веществ, токсичных для водных организмов.
Особого внимания заслуживает загрязнение водоема нефтепродуктами, пестицидами, поверхностно-активными веществами. Нефть и продукты ее переработки способны образовывать на поверхности воды пленку, препятствующую реаэрации; растворенные и эмульгированные нефтепродукты при концентрации ^0,05 мг/л придают воде неприятный привкус. Пестициды, применяемые для борьбы с вредными насекомыми, паразитическими грибами, сорняками, попадают в водоем с сельскохозяйственных полей. Все пестициды — соединения ядовитые, но, как правило, малорастворимые в воде. Даже при очень низкой концентрации, порядка пЮ’** мг/л, пестициды обладают ярко выраженным токсичным действием на организмы зоопланктона. И нефтепродукты, и пестициды частично переходят в донные отложения, накапливаются в них и могут повторно служить источником загрязнения воды. Их опасность для человека объясняется возможностью передачи этих веществ по пищевой цепи водных организмов и накопления, в частности, в телах рыб.
Широкое применение поверхностно-активных веществ в промышленности и быту обусловило появление их в водоемах. Концентрация ПАВ в несколько десятых долей миллиграммов в 1 л приводит к обильному новообразованию. Отрицательное воздействие ПАВ проявляется в нарушении кислородного режима в водоеме и в токсичном
воздействии их на микроорганизмы, в результате чего блокируется процесс разложения органических веществ бактериальным населением планктона.
Одним из основных санитарных показателей состояния водоема является растворенный кислород. Резкое снижение концентрации в воде может произойти в результате поступления в водоем больших количеств легкоокисляемых органических загрязнений. Ухудшение кислородного режима нередко приводит к гибели гидробионтов.
Со сточными водами промышленных предприятий в водоем попадают некоторые специфические микроорганизмы, например дрожжи (из стоков молочной и бродильной промышленности) .
Кроме сточных вод источником бактериального загрязнения водоемов является купание людей и животных. Подсчитано, что 10-минутное купание человека вносит в воду более ЗЮ9 сапрофитных бактерий от 105 до 2Ю7 кишечных палочек.
Неменьшую опасность для водоема представляет вторичное его загрязнение, обусловленное разложением отмирающих водных организмов. Сезонность в развитии фитопланктона и последующее его отмирание приводят к обогащению воды органическими веществами, на минерализацию которых требуется значительное количество кислорода. Будучи автотрофами, водоросли практически в любом водоеме находят источник углеродного питания, и лимитирующим фактором их развития является наличие в воде биогенных элементов (/У и Р). Таким образом, ограничить избыточное развитие водорослей можно, лишь предотвратив попадание в водоем биогенов.
Степень загрязненности водоема оценивается по количеству и характеру присутствующих в воде органических соединений. При этом каждой степени загрязненности соответствует развитие специфических сообществ организмов. Способность организмов развиваться в среде с тем или иным содержанием органических веществ, при той или иной степени загрязненности называется сап- робностью данного организма. Поскольку гидробионты являются весьма чувствительными индикаторами на изменение экологической обстановки, оказалось возможным оценивать степень загрязненности водоема по присутствию в нем организмов известной сапробности. В зависимости
от степени загрязненности водоемы или их зоны подразделяются на поли-, мезо- и олигосапробные.
Полисапробная зона (эона сильного загрязнения) характеризуется наличием в воде большого количества нестойких органических соединений и почти полным отсутствием свободного кислорода. Вследствие этого биохимические процессы в этой зоне носят анаэробный характер. Вода содержит значительные количества газообразных продуктов анаэробного распада органических веществ — СО2, H2S, СШ. Количество бактерий может достигать многих миллионов в 1 мл.
В условиях этой зоны наблюдается массовое развитие гетеротрофных растительных организмов: разнообразных сапрофитных бактерий, нитчатых бактерий, из водорослей развивается Evglena viridis, из грибов — Fusarium aquaeductum. Среди животных организмов полисапробной зоны наиболее характерны мелкие бесцветные жгутиковые, инфузории Colpidium colpoda, Vorticella microstoma, амебы Pelomyxa palustris. Микронаселение бентоса составляют в основном анаэробные сапрофитные бактерии, олигохеты Tubifex, Umnodrilus, личинки комара Chironomus plumosus.
Мезосапробная зона (зона среднего загрязнения) подразделяется на - и ^ -мезосапробные подзоны.
В первой из них протекают аэробные процессы окисления органических веществ с образованием аммиака. Кислород присутствует, но его недостаточно. В этой зоне развиваются главным образом организмы, обладающие выносливостью к недостатку кислорода. Преобладают гетеротрофные бактерии, грибы Mucor Racemosus, из цианобактерий — Oscillatoria. Животные организмы представлены многочисленными видами инфузорий (Paramecium- caudatum, Operculariacoarctata), коловратками (Rotaria), жгутиковыми, низшими ракообразными (Daphnia magna, Daphnia pulex). В илах много олигохет, личинок хирономид.
Вторая мезосапробная подзона характеризуется почти полным отсутствием легкоокисляемых органических веществ. В воде присутствуют аммиак и продукты его окисления — нитриты и нитраты. Кислорода в воде достаточно. В среде развиваются автотрофные организмы: цианобактерии (Anabaena), зеленые (Scenedesmus) и диатомовые (Melosira) водоросли, нитрифицирующие бактерии. Из простейших — инфузории и корненожки. Из прочих животных планктона появляются коловратки и ракообраз-
ные. В донных отложениях протекают интенсивные процессы минерализации с участием бактерий, многочисленных видов червей, личинок разнообразных насекомых, моллюсков. Появляются макрофиты (роголистник).
В олигосапробной зоне (зоне чистой воды) растворенные органические вещества практически отсутствуют, в связи с чем развиваются в основном автотрофные организмы. Количество кислорода близко к полному насыщению. Зона характеризуется законченностью процессов вчтрификации. Общее количество бактерий падает до т хяч, сотен и даже десятков в 1 мл. Наблюдается большое видовое разнообразие микроорганизмов. Из водорослей характерны диатомовые (Cymbella cesati) и зеленые (Ulothrix zonata, Draparnaldia), из коловраток — Kelicottia longispina, из ракообразных — ветвистоусые и веслоногие (Eudiaptomus gracilis) рачки. В илах присутствуют личинки поденок, моллюски. .
В целом переход от поли- к олигосапробной зоне характеризуется уменьшением численности микробов при одновременном увеличении их видового разнообразия.
Оценка степени загрязненности водоемов по степени сапробности часто оказывается недостаточной в связи с поступлением в водоем токсичных веществ. Например, с поверхностным стоком с сельскохозяйственных полей в водоем могут попадать пестициды и гербициды.
Способность гидробионтов существовать в среде с различной концентрацией токсичных веществ называют токсобностъю. По аналогии с сапробностью различают поли-, мезо-, олиготоксобность организмов в зависимости от их устойчивости к токсичным веществам. В зависимости от концентрации токсичных соединений в воде соответственно различают поли-, мезо- и олиготоксобные зоны.
САМООЧИЩЕНИЕ ВОДОЕМОВ
Поступающие в водоем загрязнения вызывают в нем нарушение естественного равновесия. Способность водоема противостоять этому нарушению, освобождаться от вносимых загрязнений и составляет сущность процесса самоочищения. Самоочищение представляет собой сложный комплекс физических, физико-химических, химических и биохимических явлений.
Гидродинамические процессы смешения стока с водой водоема во многом определяют интенсивность самоочищения, так как понижают концентрацию загрязнений. К числу физических факторов самоочищения относятся также процессы осаждения нерастворимых примесей, поступающих в водоем со сточными водами. Физические явления осаждения тесно связаны с жизнедеятельностью гидробионтов — фильтраторов и седиментаторов. Они извлекают из воды огромные количества взвешенных веществ и выбрасывают непереваренный материал в виде фекальных комочков, легко оседающих на дно. Еще большее значение имеет процесс образования моллюсками псевдофекалий. Таким образом, гидробионты ускоряют процессы осаждения, способствуя очистке воды от взвешенных веществ и* осаждению их в донные отложения.
В водоеме протекают и чисто химические реакции нейтрализации, гидролиза, окисления. Например, при самоочищении от ионов Fe, Mg, Al преобладающим процессом является реакция образования гидроксидов этих металлов с последующим их осаждением.
Самоочищение от ионов тяжелых металлов происходит за счет целого ряда процессов: соосаждения с гидроксидами перечисленных выше металлов, сорбции ионов органическими коллойдами, образования сложных металлоорганических комплексов с гуминовыми кислотами. Доля участия каждого из этих процессов в удалении тяжелых металлов зависит от pH, окислительно-восстановительных условий в водоеме, концентрации металлов. В результате вода освобождается от тяжелых металлов, а в донных отложениях происходит их накопление. Изменение окислительно-восстановительных условий в донных осадках может привести к переходу ионов металлов в водный слой, т.е. к вторичному загрязнению воды.
Минерализация органических загрязнений происходит главным образом за счет биохимических процессов, протекающих с участием разнообразных гидробионтов. Биохимические превращения в водоемах осуществляются как в водной среде, так и в донных отложениях.
Главенствующую роль в окислении растворенных органических веществ играют бактерии. Поступление в водоем органических загрязнений вызывает в нем бурное развитие сапрофитных бактерий. При этом видовой состав бактериального населения определяется характером внесен-
ных загрязнений. В воде развиваются виды, способные использовать те или иные внесенные вещества в качестве источников питания.
Постепенное истощение запасов питательных веществ приводит к уменьшению числа бактерий. Снижение числа бактерий происходит и за счет поедания их представителями зоопланктона (простейшими, коловратками, ракообразными), которые, удаляя из воды коллоиды и мелкие взвешенные вещества, одновременно уничтожают и бактерии.
Органические вещества, как внесенные извне, так и образовавшиеся в результате отмирания фито- и зоопланктона, частично оседают на дно. В донных отложениях процессы минерализации протекают столь же интенсивно, как и в водном слое. В этих процессах принимают участие бактерии, черви, моллюски, простешие, личинки насекомых.
Процессы минерализации заметно усиливаются, если в водоеме присутствуют макрофиты. На стеблях и листьях водных растений обильно развиваются организму перифитона, принимающего участие в окислении органических веществ. В зарослях макрофитов бентос, как правило, более богат разнообразными организмами — минерализаторами. Макрофиты стимулируют процессы аэробного биохимического разложения органических веществ, выделяя в воду значительные количества кислорода. Кроме того, установлено, что в присутствии макрофитов интенсифицируется деятельность многих бактерий, в частности нефтеокисляющих. Объясняется это явление выделением макрофитами в среду метаболитов, стимулирующих обменные процессы у бактерий.
В процессах самоочищения принимает участие комплекс биоценозов, образованных различными гидробионтами. Большинство из них принимает непосредственное участие и в освобождении водоема от бактериальных загрязнений, в том числе от патогенных микробов. Механизм антибактериального действия гидробионтов достаточно разнообразен. Одни из них поглощают бактерии в качестве питания, другие вызывают лизис клетки, третьи выделяют в среду бактерицидные вещества. Между бактериальным населением и другими гидробионтами складываются взаимоотношения разного типа. Преобладающими среди них помимо пищевых являются метабиоз и антагонизм.
Антагонистические отношения между водорослями и бактериями обусловлены несколькими причинами. Это может быть конкуренция за источники азотного питания или то обстоятельство, что в процессе фотосинтеза водоросли подщелачивают среду до pH - 9. Кроме того, многие водоросли (например, зеленые водоросли Chlorella и Scenedesmus) выделяют в среду вещества (метаболиты), обладающие бактерицидным действием. Установлено, что бактерицидное действие зеленых водорослей распространяется и на бактерии группы Coli, и на возбудителей многих кишечных инфекций. В уничтожении патогенных бактерий принимают участие и бактериофаги.
В водоемах с богатым микронаселением болезнетворные микробы гибнут скорее, чем в водоемах с незначительным количеством гидробионтов. Объясняется это действием антагонистических отношений между бактериями и другими микроорганизмами.
В зимних условиях процессы бактериального самоочищения протекают медленнее, и патогенная микрофлора сохраняется в воде дольше, так как биологические факторы самоочищения при пониженных температурах действуют с малой интенсивностью.
Биохимическая деятельность гидробионтов является доминирующим процессом в самоочищении водоема. Но среди гидробионтов немало организмов, массовое развитие которых может принести и значительный вред.
Цветение пресных водоемов вызывается бурным развитием микроскопических водорослей и некоторых видов жгутиковых. Даже при небольшом цветении резко ухудшаются органолептические свойства воды. Цветение осложняет работу фильтров на водопроводных станциях: фильтры быстро забиваются, а водоросли, накапливаясь в фильтре, начинают разлагаться, придавая воде неприятные привкусы и запахи.
Массовое развитие некоторых видов цианобактерий может служить причиной падежа скота и кишечных отравлений у людей.
СПУСК СТОЧНЫХ ВОД В ВОДОЕМЫ
Для предотвращения загрязнения водоема к спускаемым сточным водам предъявляются определенные требования. "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения
сточными водами" нормируются показатели качества воды в ближайшем к месту выпуска створе реки, используемом в качестве источника водоснабжения или для культурно- бытовых целей. Этот створ называется расчетным. Нормативы качества воды назначаются с учетом процессов смешения и самоочищения, протекающих на участке от выпуска сточных вод до расчетного створа.
В зависимости от соотношения расходов реки Q и срока ^, расстояния до расчетного створа и гидравлических факторов, таких, как скорость течения, извилистость реки и т.д., в процессе смешения участвует определенная часть расхода реки а (где а — коэффициент смешения). Таким образом, в результате спуска сточной воды образуется суммарный поток (aQ + 0 с более высокой концентрацией загрязнений, чем в воде реки. Процессы самоочищения в суммарном потоке описываются математически, что позволяет рассчитать допустимую концентрацию загрязнений в спускаемых сточных водах, при которой процессы самоочищения обеспечат требуемое количество воды в расчетном створе.
В зависимости от вида водопользования участки водоемов делят на две категории.
К первой категории относят водоемы или их участки, используемые для питьевого водоснабжения. Качество воды в расчетном створе для водоемов первой категории должно удовлетворять следующим требованиям: БПКполн — не более 3 мг/л; растворенный кислород в пробе, отобранной до 12 ч дня, — не менее 4 мг/л; содержание взвешенных веществ не должно увеличиваться более чем на 0-25 мг/л по сравнению с концентрацией их в реке до спуска сточной воды.
Ко второй категории относят участки водоемов, используемые для купания и отдыха населения, а также водоемы в черте населенных пунктов. Для водоемов второй категории установлены следующие нормативы: БПКполн — не более 6 мг/л; растворенный кислород — не менее 4 мг/л; увеличение взвешенных веществ — не более 0.75 мг/л.
Более высокие требования предъявляются к водоемам, используемым в рыбохозяйственных целях: БПКполн в расчетном створе не должна превышать 2 мг/л; концентрация растворенного кислорода в зимний период должна быть не ниже 6 мг/л для водоемов, предназначенных для воспроизводства и сохранения ценных пород рыб, и не ниже 4 мг/л для водоемов, используемых в других рыбохозяй-
ственных целях; в летний период содержание кислорода в водоемах обоих видов должно быть не ниже 6 мг/л в пробе, отобранной до 12 ч дня.
Сточные воды, спускаемые в водоемы всех видов водопользования, не должны содержать веществ, способных оказывать неблагоприятное влияние на водные организмы или опасных для здоровья людей.
Вопросы для самоконтроля
Какие методы применимы для очистки воды от нерастворенных примесей?
Почему для осаждения нерастворенных примесей природной воды необходимо введение коа!улянтов?
Какие коагулянты используют при обработке воды? Как они действуют?
Какую цель преследует введение в воду флокулянтов?
Дайте характеристику основных флокулянтов, применяемых при обработке воды.
Перечислите, от каких факторов зависит эффективность процесса коагуляции.
В каких случаях для успешной коагуляции необходимо подщелачивание воды? Поясните сущность происходящих процессов.
Какие показатели качества природной воды изменяются при обработке ее коа1улянтами?
В каких случаях можно использовать процесс коагуляции для очистки сточных вод?
Перечислите виды флотационной обработки воды и примеси, удаляемые в процессе флотации.
На чем основан процесс флотации примесей?
Как можно интенсифицировать процесс флотации?
Перечислите виды сорбции и в чем различия между ними.
Дайте характеристику активных углей как сорбентов.
Как оценивается активность сорбента?
Какие примеси можно извлечь с помощью сорбентов?
Для каких целей применяются методы фильтрования, обратного осмоса, диализа? В чем их различия?
В чем отличия в процессе фильтрования природной воды и биологически очищенной сточной воды?
Что представляют собой иониты?
Что такое ионогенные группы ионитов?
Что понимают под термином "обменная емкость ионита"?
Рассчитайте, как изменится солесодержание воды после ее умягчения методом Na-катионирования, если начальное содержание ионов кальция 180 Мг/л, а остаточная жесткость 1 мг-экв/л.
Какие свойства воды изменяются в процессе Н-катионирования?
Перечислите цели применения метода ионного обмена для обработки воды.
Какие примеси можно удалить из воды методом химического осаждения?
Концентрация сульфидов в сточной воде составляет 900 мг/л (в расчете на $Ъ. Рассчитайте теоретическое количество FeSO^ необходимое для полного осаждения сульфидов.
Рассчитайте, какое количество серной кислоты потребляется для нейтрализации стока с pH * 10.
Приведите несколько примеров использования окислителей для очистки природных и сточных вод. Запишите уравнения реакций.
По каким показателям оценивается возможность биологической очистки сточных вод?.
Напишите в общем виде уравнения реакции, символизирующие процесс очистки сточных вод.
Из каких химических соединений состоит активный ил? Как записать в виде формулы соотношение основных органогенов в иле?
Бактерии играют основную роль в окислении органических веществ сточной воды в процессе очистки. Простейшие... Закончите ответ.
Биоценоз активного ила состоит из... Закончите ответ.
Чем отличается состав микронаселения активного ила от биоценоза биопленки?
Назовите основные физико-химические характеристики активного ила.*
С какой целью выполняют гидробиологический анализ активного ила?
Какие типы взаимоотношений складываются между различными видами микроорганизмов в активном иле?
В чем отличия экосистем очистных сооружений от природных аналогов?■
Чем отличается аэробный ил от анаэробного?
В чем достоинства и недостатки анаэробного окисления загрязнений?
Дайте характеристику бактериям, осуществляющим кислую фазу брожения.
Перечислите основные особенности метанообразующих бактерий.
Как влияет температура сбраживания на санитарномикробиологические характеристики сброженного осадка? '
Что понимают под обеззараживанием воды?
Назовите методы обеззараживания, применимые как для питьевой, так и для сточных вод.
Перечислите возможные методы хлорирования воды.
Что означает понятие "активный хлор"?
Перечислите реагенты, содержащие активный хлор.
Объясните механизм действия хлора.
Что означают понятия "остаточный свободный хлор" и "остаточный связанный хлор"?-
Почему в ГОСТ 2874—82 концентрация остаточного свободного хлора более чем в 2 раза меньше требуемой концентрации остаточного сказанного хлора?-"
В каких случаях применяют хлорирование с аммонизацией?
Какие преимущества имеет применение озона для обеззараживания?
Какие основные сообщества микроорганизмов характерны для поверхностных водоемов?
Из каких микроорганизмов складывается каждый биоценоз водоема?
Как влияют на водоем различные виды деятельности человека: сброс сточных вод, строительство плотин, судоходство и Т.Д.?
Перечислите источники первичного загрязнения водоемов.
Из каких процессов складывается явление самоочищения природных водоемов? Какие процесс являются определяющими?
Что понимают под термином "сапробность" микроорганизмов?
Как оценивается степень загрязнения водоема по системе сапроб- ности?
Причины вторичного загрязнения водоемов.
Что понимают под "цветением водоема"? Какими микроорганизмами вызывается этот процесс?
Как регламентирован сброс сточных вод в водоемы?
Список рекомендуемой литературы
ГОСТ 2874—82. Вода питьевая.
ГОСТ 2761—84. Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения.
СНиП 2.04.03—85.
Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды. — Киев: Вища школа, 1983. —239 с.
Таубе П.Р., Баранова А.Г. Химия и микробиология воды. — М.: Высшая школа, 1983. — 278 с.
Чурбанова И.Н. Микробиология. — М.: Высшая школа, 1987. — 239 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие3
РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ ВОДЫ
Глава!. Вода и ее свойства 4
Г л а в а 2. Дисперсные системы. Коллоиды .,. . . 15
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ
Г л а в а 3. Общие представления о микроорганизмах 24
Г л а в а 4. Морфологическая характеристика отдельных групп микроорганизмов 28
Г л а в а 5. Физиология микроорганизмов 49
Г л а в а 6. Роль микроорганизмов в превращениях и круговороте веществ73
РАЗДЕЛ 3. СОСТАВ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Г л а в а 7. Общие понятия о примесях и качестве воды различного происхождения83
Г л а в а 8. Состав и показатели качества природ-ных вод 85
Г л а в а 9. Состав и показатели качества сточных вод 101
Г л а в а 10. Оценка качества воды117
РАЗДЕЛ 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОДЫ НА МАТЕРИАЛЫ
Глава 11. Коррозия металлов в водной среде .134
Глава 12. Разрушение бетона и железобетона под воздействием воды 144
Глава 13. Образование отложений
и биологических обрастаний в трубопроводах и сооружениях149
РАЗДЕЛ 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ и сточных вод
Глава14.Физико-химические процессы155
Г л а в а15.Химические процессы 173
Глава16.Биологические процессы179
Г л а в а17.Процессы обеззараживания воды ...188
Г л а в а18.Процессы самоочищения водоемов..195
Учебное издание
[Карюхина Тамара Александровна Чурбанова Ирина Николаевна
ХИМИЯ ВОДЫ И МИКРОБИОЛОГИЯ
Редактор М.В. Перевалюк
Технический редактор Е.Н. Ненарокова
Корректор Т.М. Бочагова
Лицензия № 020441 от 28.02.92
ИБ № 5088
Подписано в печать 04.11.94. Формат 84 х 108/32. Бумага офсетнаа
Печать офсетная. Усл.печ.л. 10.92. Уч.-изд.л. 12,05
Тираж 1000 Изд. № AVI—3287. Заказ 35
Стройиздат. 101442 Москва, Долгоруковская, 23а Московская типография N9 Комитета Российской Федерации по печати 109033, Москва, ул. Волочаевская, д.40
УЧЕБНИК ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ УЧАЩИХСЯ СРЕДНИХ СПЕЦИАЛЬНЫХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ "ЭКСПЛУАТАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ВОДООТВЕДЕНИЯ".
ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗДАНИЕ ЯВЛЯЕТСЯ ТРЕТЬИМ, ПЕРЕРАБОТАННЫМ И ДОПОЛНЕННЫМ В СООТВЕТСТВИИ С НОВЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ РЕШЕНИЯМИ И НОРМАТИВНЫМИ ДОКУМЕНТАМИ.
химия воды
И МИКРОБИОЛОГИЯ
Москва-Строй издат
Т.А. Ка рюхина, И.Н. Чурбанова
химия воды И МИКРОБИОЛОГИЯ
3-е издание, переработанное и дополненное
Рекомендовано
Госкомвузом России в качестве учебника для средних специальных учебных заведений
Москва Стройиздат 1995
ББК 38.761 К27
УДК 628.1.03:(54+576.8) (075.32)
Федеральная целевая программа книгоиздания России
Рецензент — проф. Е.И. Медведева
Редактор М.В. Перевалюк
Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н.
К27 Химия воды и микробиология: Учеб, для техникумов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1995. - 208 с.: ил.
ISBN 5-274-00455-5
Рассмотрены теоретические основы химии воды. Изложены основы морфологии и физиологии микроорганизмов, участвующих в биологических процессах в естественных условиях и на очистных сооружениях систем водоснабжения и водоотведения. Приведен состав и дана оценка качества природных, питьевой и сточных вод. Изд. 2-е вышло в 1983 г. Изд. 3-е переработано и дополнено в соответствии с новыми техническими решениями и нормативными документами.
Для учащихся средних специальных учебных заведений по специальности "Эксплуатация оборудования и систем водоснабжения и водоотведения".
3309000000 —445
КБез обьявл.ББК 38.761
047(01)—95
.© Стройиздат, 1974
© Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н„
ISBN 5-274-00455-51995, с изменениями