Введение

Современная очистка сточных вод подразумевает полное или максимально возможное удаление загрязнений, примесей и вредных веществ. Применение того или иного метода очистки в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

В учебном пособии приведены сведения о формировании состава природных и сточных вод. Основное внимание уделено современным методам восстановления чистоты воды. Более подробно рассмотрены физико-химические методы очистки воды.

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества. К физико-химическим методам относятся: коагуляция, флотация, электродиализ, адсорбция, ионный обмен и др.

Материал учебного пособия ориентирован на студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 270800 «Строительство», профиль 270804 «Водоснабжение и водоотведение».

Сведения, представленные в пособии, будут полезными при изучении дисциплины «Водоотводящие системы промышленных предприятий», «Контроль качества воды», «Химия воды и микробиология», курсового и дипломного проектирования современных очистных сооружений и установок.

Раздел 1 состав природных и сточных вод. Показатели оценки их качества

1.1 Состав и способы оценки качества природных вод

1.1.1 Примеси и оценка качества природных вод

Под качеством природной воды понимают совокупность ее свойств, обусловленных характером и концентрацией содержащихся в воде примесей. Примеси природных вод подразделяются на неорганические и органические. Отдельную группу примесей составляют микрофлора и микрофауна природных водоемов, оказывающая существенное влияние на качество воды.

При оценке качества природной воды с точки зрения возможности ее обработки теми или иными способами имеет значение не только природа примесей, но и их физико-химическое состояние. Классификация примесей на основе их фазово-дисперсной характеристики разработана под руководством акад. Л. А. Кульского. Согласно этой классификации, примеси природных вод по их физико-химическому состоянию, которое в значительной степени определяется дисперсностью веществ, могут быть разделены на четыре группы.

К первой группе примесей относятся взвешенные вещества – суспензии и эмульсии, средний размер частиц которых составляет 10^–3–10^–5 см. Состав примесей этой группы очень разнообразен: это частицы глины и песка, малорастворимые гидроокиси металлов, частицы ила, эмульсии минеральных масел, нефтепродукты, планктон (в том числе и бактериальный). В совокупности эти примеси обусловливают мутность воды.

Ко второй группе относятся коллоидно-растворенные примеси и высокомолекулярные органические соединения с размером частиц 10^-5–10^-6 см. Высокомолекулярные соединения могут образовывать не только коллоидные, но и истинные растворы. Тем не менее, они отнесены ко второй группе примесей, так как размер их частиц соответствует коллоидной степени дисперсности и по ряду свойств растворы этих веществ сходны с кол­лоидными системами.

К примесям этой группы относятся минеральные органоминеральные частицы почв и грунтов, коллоидные соединения железа и гумус, образующийся в результате химического и биохимического разложения раститель­ных остатков непосредственно в водоеме и попадающий в него с атмосферными и талыми водами из почвы.

Наличие коллоидных примесей увеличивает цветность и мутность воды.

Третью группу примесей составляют молекулярно растворенные вещества с размером частиц 10^-5–10^-7 см. Растворенные газы, главным образом кислород и углекислый газ, практически всегда содержатся в природной воде. В некоторых подземных водах и загрязненных поверхностных источниках может присутствовать сероводород.

К растворенным органическим соединениям относятся продукты жизнедеятельности и разложения бактерий, актиномицетов, плесеней, водорослей, макрофитов других водных организмов, а также фенолы и истинно растворенные фульвокислоты. Содержание органических веществ может увеличиваться при спуске в водоем недостаточно очищенных бытовых и производственных сточных вод.

В связи с невозможностью индивидуального аналитического определения всех присутствующих в воде органических соединений прибегают к суммарной оценке их содержания по величине окисляемости, интенсивности запаха и привкуса и т. д.

Таким образом, примеси третьей группы существенно влияют на качество воды, изменяя ее органолептические показатели и увеличивая окисляемость. Некоторые окрашенные молекулярно растворенные органические соединения обусловливают цветность воды.

Четвертая группа примесей представлена веществами, диссоциирующими в воде на ионы, с размером частиц менее 10^-7 см. Это главным образом соли, концентрация которых определяет степень минерализации воды. Общее содержание солей в воде приближенно оценивают по величине плотного остатка, под которым подразумевается сумма всех примесей воды, определяемая путем выпаривания и последующего высушивания пред­варительно профильтрованной пробы.

В практике водоподготовки плотный остаток обычно называют сухим остатком, хотя последний определяется из нефильтрованной пробы, и таким образом в его состав входят все примеси, в том числе и нерастворенные. Такое смешение общепринятых понятий неверно, но оправдывается тем, что в маломутных, а тем более в питьевых водах результаты обоих определений очень близки, поскольку содержание взвешенных веществ в этих водах невелико, а объем плотного остатка значителен.

Более полное представление о составе примесей четвертой группы дает изучение ионного состава воды. Для подавляющего большинства природных вод общее содержание достаточно точно определяется катионами , , , и анионами , , . Остальные ионы обычно присутствуют в очень незначительных количествах, но могут существенно влиять на свойства и качество воды.

Вода электронейтральна, поэтому суммы концентраций катионов и анионов, выраженные в мг·экв/дм³, равны. Учитывая преобладание в природных водах перечисленных семи ионов, можно записать:

.

Соотношение содержания отдельных ионов в природной воде зависит от общего солесодержания. Маломинерализованные воды рек и пресные артезианские воды содержат преимущественно катионы кальция и анионы . По мере повышения минерализации содержание , , , в воде увеличивается. Суммарная концентрация катионов кальция и магния, выраженная в мг·экв/дм³, определяет общую жесткость воды.

Ионный состав воды обуславливает один из важнейших показателей ее качества – щелочность. Общая щелочность определяется суммой анионов слабых кислот, способных реагировать с соляной или серной кислотой. Общая щелочность в зависимости от ионного состава воды включает бикарбонатную, карбонатную, гидратную составляющие. Поскольку из перечисленных анионов в большинстве природных вод преобладает анион , их щелочность определяется концентрацией бикарбонатов. Однако это справедливо при условии, что значение рН не превышает 8,4. При более высоких значениях рН (от 8,4 до 12) бикарбонатная щелочность постепенно уменьшается при одновременном увеличении карбонатной щелочности. При значениях рН > 12 бикарбонатная щелочность равна нулю, так как в этих условиях угле­кислота в растворе присутствует только в виде карбонат-ионов. В водах со значениями рН > 9 следует учитывать и гидратную составляющую общей щелочности.

Данные анализов ионного состава воды удобно изображать графически. Для этого в определенном масштабе на двух параллельных соприкасающихся полосах в порядке, указанном на рис. 1.1, откладывают концентрации катионов и анионов в мг·экв/дм³. Графическое изображение результатов анализа позволяет представить гипотетический состав солей в воде. Например, в воде, по результатам анализа которой составлена диаграмма, приведенная рис. 1.1 в, гипотетически присутствуют , , , , , . При известных концентрациях катионов и анионов можно вычислить и концентрации этих солей.

а)

б)

в)

Рисунок 1.1 – Диаграммы гипотетического состава солей в воде

Анионы на диаграмме располагаются в порядке увеличения их кислотных свойств. Расположение катионов обусловлено тем порядком, в котором они будут образовывать малорастворимые соединения при постепенном увеличении значения рН. Именно такой прием обработки, т. е. увеличение щелочности среды, лежит в основе процессов реагентного умягчения и обезжелезивания воды аэрацией или известкованием.

Огромное влияние на качество и свойства воды оказывают соединения угольной кислоты. Вместе с ионами кальция они образуют карбонатно-кальциевую систему равновесий, самую сложную в природных водах. Из рис. 1.2 видно, что с карбонатно-кальциевой системой, непосредственно связаны ионы водорода, и, таким образом, количественные соотношения между отдельными компонентами системы зависят от величины рН.

В условиях равновесия определенной концентрации карбонатов соответствует определенное количество свободной углекислоты, называемой равновесной. Вода при этом стабильна, так как не происходит ни выпадения карбонатов, ни их дополнительного растворения.

Рисунок 1.2 – Карбонатно-кальциевая схема равновесий в природных водах

Если количество растворенной углекислоты больше ее равновесной концентрации, равновесие реакции (7) на рис. 1.2 сдвинется вправо, что приведет к растворению . Избыток сверх равновесной концентрации называется агрессивной углекислотой. Контакт агрессивной воды с бетонными сооружениями приводит к вымыванию из них карбоната кальция.

При недостатке по сравнению с равновесной концентрацией реакция (7) протекает справа налево, что приводит к дополнительному образованию и выпадению в осадок малорастворимого карбоната кальция.

Стабильность воды может быть оценена экспериментально или путем вычисления индекса насыщения воды карбонатом кальция по результатам определения в воде температуры, общего солесодержания, концентрации ионов кальция и общей щелочности. Основным и более точным методом является экспериментальный. Суть его состоит в определении общей щелочности или величины рН в исходной пробе и после встряхивания ее с карбонатом кальция в течение 1–2 ч.

Таким образом, качество природных вод оценивается комплексом различных химических, физико-химических, санитарно-бактериологических и гидробиологических показателей, определяемых соответствующим анализом.