Автор работы: Пользователь скрыл имя, 30 Ноября 2014 в 15:01, реферат
Вода – весьма распространенное на Земле вещество. Почти 3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и озера.
Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находится вода, пропитывающая почву и горные породы.
В тех же городах и поселках, где еще нет очистки бытовых стоков, загрязнение водных артерий прогрессирует. А главное, принцип работы очистных сооружений таков, что очистка происходит лишь частичная — механическая (от крупных примесей, взвешенных частиц) и биологическая (это как бы ускоренная природная очистка). В специальных сооружениях — аэротенках сточные воды обрабатывают активным илом, насыщенным микроорганизмами. Они разрушают органические примеси — продукты нашей жизнедеятельности (но не моющую синтетику) и болезнетворные микроорганизмы.
Органические вещества разлагаются до простых соединений, в частности, содержащих азот и фосфор. Эти соединения, поступая с очищенными стоками в природные водоемы, практически безвредны для человека, а для растительности, в том числе водной, являются прекрасной питательной средой. Их так и называют — биогенные вещества. Они способствуют интенсивному развитию водорослей, прежде всего сине-зеленых — своего рода сорняков. Цикл их жизни краток, они быстро и массово отмирают, на смену им вырастают новые. Процессы разложения нарастают лавинообразно, ухудшая свойства воды и губя высшую растительность и животных, обитателей водоемов.
Мы рассмотрели три категории стоков, загрязняющих водоемы в современном мире, — хозяйственно-бытовые, сельскохозяйственные и городские. Но, пожалуй, первоочередную опасность для рек и водоемов представляют промышленные стоки.
Разнообразие загрязнений здесь почти неограниченное. Наиболее распространены и опасны нефтепродукты, соли тяжелых металлов, цианиды, сернистые соединения, фенолы. Они не только отравляют воду и все живое в ней, но и требуют очень большого разбавления для прохождения процессов самоочищения природных вод.
Многие из этих веществ не чужды природе, они существуют в ней и встречаются в природных водах. Например, нефтяные соединения поступают из природных разломов земной коры, а также являются продуктами жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. В водной среде существуют микроорганизмы, которые питаются нефтепродуктами. Но для процессов естественной ассимиляции нефтяных загрязнений требуются достаточные количества воды, чтобы были нужная концентрация микроорганизмов и достаточное содержание кислорода для поддержания их жизнедеятельности.
Иначе говоря, нужно большое количество свежей воды для обезвреживания нефтесодержащих стоков природным путем. Это же требуется и для многих других веществ, попадающих в водоемы. Таких веществ становится все больше по сравнению с природными соединениями, находящимися в водах. Сейчас в окружающую среду выбрасывается до 400 тыс. наименований химикатов, а природных загрязнений воды насчитывается лишь около двух тысяч.
На 1 т продукции приходится в среднем 999 т отходов, увеличивается и поступление примесей в природные воды и их разнообразие. Разбавление же (для природной самоочистки) требуется значительное. Так, стоки нефтяной промышленности для естественной очистки требуют разбавления в 30 тыс. раз, а газогенераторных станций — в 3 млн. раз. Между тем, даже крупнейшая река Европы Волга может разбавить объем сбрасываемых в районе Волгограда сточных вод лишь в 350 раз. Следовательно, требуемого избытка чистой воды для разбавления стоков просто негде взять.
Еще один источник промышленных загрязнений — поступление растворимых солей в пресные водоемы. Это преимущественно хлориды и сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов. Основная причина их поступления — неуклонное нарастание объемов вод шахтного и рудничного отмыва, то есть грунтовых и подземных вод из горизонтов, вскрытых при добыче, а также тех вод, которые использовались при разработке пластов.
На современном уровне развития науки и техники уже разрабатывается ряд действенных мер, призванных воспрепятствовать дальнейшему загрязнению водных ресурсов планеты. Это и утилизация отходов промышленного и сельскохозяйственного производства, и переход на безотходные технологические процессы, и борьба с загрязнениями, связанными с развитием водного транспорта, и многое другое.
Однако, уже теперь, не дожидаясь полного осуществления этих преобразований, необходимо надежно обеспечить высокие качественные показатели воды для питья, а также для ряда новых отраслей техники.
Для правильного решения этой проблемы есть пока один наиболее надежный путь — обобщение и систематизация накопленных знаний и создание строго научного представления о воде и методах ее очистки, основанного на глубоком понимании общих закономерностей, которым подчиняются протекающие в водной среде процессы. Необходимо развивать и использовать наиболее рациональную технологию обработки воды.
Следует отметить, что в настоящее время технология обработки воды как научно-техническое направление все еще значительно отстает от запросов практики. Она рассматривает лишь отдельные аспекты проблемы очистки воды и до сих пор не является универсальной.
В технике водоочистки еще недавно считали необходимым вести борьбу главным образом с мутностью, цветностью, солями жесткости и в особых случаях с примесями, придающими воде привкус и запах, а также с болезнетворными микроорганизмами. Развитие промышленности, сельского хозяйства и создание водохранилищ вызывает попадание в воду рек, озер и морей веществ, которые подчас трудно определить при помощи анализа.
Все новые аналитические методы разрабатываются для контроля за содержанием загрязненной воды, изыскиваются все более совершенные и разнообразные методы удаления их, однако в то время, когда все усилия специалистов направлены на борьбу с известными загрязнениями, появляется все больше новых примесей, степень ядовитости которых не установлена. В результате вода очищается не всегда полноценно.
Поэтому первоочередной задачей является создание научно обоснованной системы, которая раскрыла бы зависимость процессов и методов удаления примесей от их состояния и физико-химических свойств. Другими словами, необходимо опираться на обобщающие, закономерные связи между физико-химической характеристикой примесей воды и технологическими приемами ее обработки.
Однако в существующих гидрохимических системах классификации природных вод до сих пор учитывался только химический состав примесей. Поэтому при прогрессирующем загрязнении водоемов промышленными стоками и при увеличении числа примесей с различными свойствами эти классификации не отражали действительного состояния вопроса и не содействовали изысканию приемлемых практических решений.
Итогом многих научных поисков явилось создание нового теоретического направления. Оно обосновывает процессы удаления целых классов органических и неорганических соединений, которые составляют основную массу загрязнений природных и сточных вод. Новая теория вооружила исследователей и практиков падежными методами борьбы не только с различными загрязнениями водоемов, но и с развивающимися в водной среде опасными для человека микроорганизмами, с сине-зелеными водорослями и продуктами их жизнедеятельности. Она дала простой и качественно новый подход к технологическим решениям и разработке методов очистки воды. В основу этой теории была положена связь между физико-химическим состоянием примесей, находящихся в воде, и технологическими процессами их удаления.
Таблица 1.1.
Исходя из анализа закономерностей, которым подчиняются процессы очистки воды, все примеси и загрязнения были сгруппированы по признаку их физико-химического состояния в воде, которое в значительной степени определяется дисперсностью. Указанное положение дало возможность объединить самые разнообразные по химической и физической характеристикам примеси природных и сточных вод в группы и создать классификацию загрязнений, позволяющую отказаться от поисков специальных методов удаления каждого вещества в отдельности (см. табл. 1.1).
При всем многообразии примесей за основу принимается, прежде всего, отношение их к дисперсионной среде, то есть к воде. По этому признаку все вещества делятся на четыре группы: две гетерогенные, в которых частицы примесей не полностью смешиваются с водой, и две гомогенные, дающие с водой так называемые истинные растворы. К первым относятся вещества, присутствующие в воде в виде взвесей, коллоидов и высокомолекулярных соединений, ко вторым — вещества, находящиеся в воде в виде молекулярных и ионных растворов.
Средний размер частиц примесей, начиная от наиболее низкодисперсных взвесей, относящихся к первой группе, при переходе к каждой последующей группе (то есть к более высокодисперсным) уменьшается примерно в 10 раз.
Такая система расположения групп по принципу повышающейся дисперсности примесей целесообразна с точки зрения технологии, так как очистка воды обычно начинается с удаления грубодисперсных примесей и коллоидно-дисперсных веществ. Методы удаления этих загрязнений являются общепринятыми: они широко применяются на очистных сооружениях промышленных и коммунальных водопроводов и цехов очистки промышленных стоков. Способы извлечения из воды молекулярных и ионных примесей относятся к специальным методам ее очистки и используются как дополнительные к основному технологическому комплексу водообработки.
Дисперсность — характеристика размеров частиц в физико-химических системах, состоящих из измельченных частиц (дисперсная фаза), распределенных в окружающей среде (дисперсионная среда).
Примеси каждой группы обладают специфическими особенностями, и потому для их удаления требуются определенные технологические приемы водоочистки и контроля, независимо от их количеств и степени изученности.
В первую группу входят нерастворимые в воде примеси, величина частиц которых 10'4 см и больше, образующие в воде так называемые взвеси. Взвеси обусловливают мутность воды, а в некоторых случаях и ее цветность. Сюда относятся глинистые вещества, карбонатные породы (мел, гипс), ил, мелкий песок, малорастворимые гидроксиды металлов, некоторые органические вещества, планктон и т. д.
Среди взвешенных частиц могут присутствовать бактерии (в том числе болезнетворные) и вирусы. На поверхности частиц могут находиться радиоактивные вещества, и сами взвеси иногда являются токсическими соединениями. Полнота удаления этих примесей из воды зависит от степени ее осветления.
Системы, образованные примесями первой группы, кинетически неустойчивы: нерастворимые вещества удерживаются во взвешенном состоянии динамическими силами потока воды. Они попадают в водоемы в результате размывания окружающих пород и смыва почв. Интенсивность оседания примесей зависит от свойств системы.
В состоянии покоя они оседают, образуя осадки различной плотности.
Для удаления примесей этой группы используют физико-химические процессы, рассчитанные на выведение из воды веществ, начиная от тонких взвесей и кончая крупными частицами. Это процессы адгезии (прилипание примесей к поверхности сорбентов и зернистых инертных материалов), агрегации и седиментации (укрупнение частиц при помощи специальных реагентов с последующим осаждением), флотации (всплывание на поверхность воды в результате образования насыщенных газами сгустков). С этой целью применяют механические способы — отстаивание, микропроцеживание, фильтрование и др.
Вторая группа объединяет примеси, находящиеся в коллоидном состоянии и в виде высокомолекулярных соединений. Это кристаллические или аморфные вещества. Высокомолекулярные вещества представлены линейными, спиральными и разветвленными макромолекулами различной степени гибкости. Размер частиц таких примесей (степень дисперсности) составляет 10-5... 10-6 см. К примесям, образующим вторую группу, относятся минеральные и органо-минеральные частицы почв, различные формы гумусовых веществ, которые придают воде окраску. Гумус вымывается из лесных, болотистых и торфяных почв в природные водоемы или образуется в самих водоемах в результате жизнедеятельности водных растений.
В щелочной среде соли этих соединений, образованные щелочными металлами, хорошо растворяются в воде. Их можно рассматривать как электролиты, и для очистки от них воды используют те же процессы, что и для очистки от загрязнений четвертой группы (см. далее). В нейтральной и слабокислой средах отдельные молекулы гумусовых кислот укрупняются благодаря межмолекулярному координированию их полярных групп и образуют коллоидные системы.
К этой же группе могут быть отнесены вирусы и другие микроорганизмы, в том числе болезнетворные (патогенные) бактерии, которые по своим размерам приближаются к коллоидным частицам, удаление их из воды чрезвычайно важно.
Примеси, входящие во вторую группу, характеризуются особыми молекулярно-кинетическими свойствами, а вследствие более мелких размеров их самопроизвольное оседание крайне затруднено. Чтобы ускорить этот процесс, в воду добавляют специальные вещества — коагулянты. При содействии последних примеси теряют свою устойчивость в растворе, слипаются, укрупняются и выпадают в осадок в виде хлопьев. После этого их можно удалить из воды. Предварительное применение больших доз хлора, озона или других окислителей повышает качество обрабатываемой воды, так как при этом устраняются вещества, придающие ей цветность, гибнут микроорганизмы и, что особенно важно, улучшается протекание процессов укрупнения частиц и их оседания.
При исследовании процессов водоподготовки ученые установили, что существуют вещества, которые могут значительно повысить и ускорить действие коагулянтов. Такие вещества названы флокулянтами. Один из наиболее действенных флокулянтов, по составу родственный обыкновенному песку, — активная кремнекислота. Небольшие количества этого вещества (до 5% от дозы коагулянта) ускоряют образование хлопьев, способствуют более быстрому и полному оседанию их.
В третью группу входят растворенные в воде газы и органические соединения — как биологического происхождения (например, гуминовые кислоты и вульвокислоты), так и вносимые со стоками промышленных предприятий и населенных пунктов (различные продукты жизнедеятельности и отмирания плесневых грибов, бактерий, водорослей, а также фенолы и другие органические соединения). Вещества третьей группы придают воде самые разнообразные привкусы и запахи, а иногда и окраску. Размеры этих веществ — 10-6...10-7 см. В процессе очистки воды они ведут себя как молекулярнорастворимые, хотя многие из них при иных условиях легко образуют коллоидные системы и даже взвеси. Примеси, относящиеся к третьей группе, являются гомогенными системами. Некоторые из них, вносимые сточными водами, токсичны.