Механическое, химическое и бактериальное загрязнение воды и основные способы очистки воды. Осветление, фильтрация и обеззараживание вод

Мировое хозяйство сбрасывает в год 1500 км³ сточных вод разной степени очистки, которые требуют 50-100-кратного разбавления для придания им естественных свойств и дальнейшего очищения в биосфере. При этом не учитываются воды сельскохозяйственных производств. Мировой речной сток (37,5-45 тыс. км³ в год) недостаточен для необходимого разбавления сточных вод. Таким образом, в результате промышленной деятельности пресная вода перестала быть возобновляемым ресурсом. [3]

1.1. Механическое загрязнение

Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил и др.). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод.

Применительно к поверхностным  водам выделяют еще их загрязнение (а точнее, засорение) твердыми отходами (мусором), остатками лесосплава, промышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем.

Загрязняющие вещества условно можно разделить на несколько групп. По физическому состоянию выделяют нерастворимые, коллоидные и растворённые примеси. Кроме того, загрязнения делятся на минеральные, органические, бактериальные и биологические.

Минеральные загрязнения  обычно представлены песком, глинистыми частицами, частицами руды, шлака, минеральных солей, растворимых кислот, щелочей и другие. Органические загрязнения подразделяются по происхождению на растительные и животные. Растительные органические загрязнения вызываются остатками растений, плодов, овощей и злаков, растительного масла. Загрязнения животного происхождения - это физиологические выделения людей и животных, остатки тканей животных, клеевые вещества.

Бактериальное и биологическое  загрязнения вносятся главным образом  бытовыми сточными водами и стоками некоторых промышленных предприятий (бойни, кожевенные заводы, фабрики первичной обработки шерсти, меховые производства, биофабрики, предприятия микробиологической промышленности). [5]

1.2. Химическое загрязнение

Химическое загрязнение - наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды и др.) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия и др.) и нетоксичным. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок, и т. д., однако, как правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более. [5]

РФ.12.14.013

Лист

7

Химическое загрязнение  может носить двоякий характер.

Во-первых, это антропогенное  изменение природных циклов имеющихся  в природе веществ и сдвиг их биогеохимических циклов и концентраций. Пример: выброс огромных количеств окислов углерода, серы и азота при сжигании ископаемого топлива.

Во-вторых, это распространение  в природных средах синтетических  веществ, в том числе особо  ядовитых, в принципе в природе не существующих (ксенобиотики). Примеры: утечки диоксинов и использование ядохимикатов в сельском хозяйстве.

Подобные вещества особо  опасны тем, что в экосистемах  могут отсутствовать механизмы  из разложения или консервации, а  живые организмы не обладают способностью к их уничтожению при попадании во внутренние органы.

Технический прогресс привел к получению и изготовлению ряда материалов, которые плохо поддаются  разложению. Они попадают в окружающую среду частично при изготовлении, частично при транспортировке, и при использовании. Здесь они могут накапливаться в опасных концентрациях, оказывая вредные воздействия на природную среду. К этой категории относятся также нефть и нефтепродукты. Нефть в основном состоит из алифатических углеводородов, в некоторых случаях зависимости от ее происхождения, она может содержать алициклические и ароматические углеводороды. В небольших количествах в состав нефтей могут входить также кислородсодержащие соединения, как, например, альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты.

Нефть может попадать в природную среду различными путями, например при бурении скважин  на нефтяных месторождениях, при авариях  танкеров или течи в нефтепроводах, при транспортировке, при переработке  сырой нефти, а также при очистке  отстойников, танкеров и автоцистерн от старой нефти и нефтепродуктов.   

Особо сильные загрязнения  в результате утечки нефти происходят при бурении морских скважин  и авариях танкеров. При просачивании нефти в почву, несмотря на свою большую  вязкость, она проникает в грунтовые воды, перемещается в направлении их движения и может распространяться на большие расстояния.   Гидрофобная нефть образует тонкую пленку на поверхности воды; вода становится непригодной для использования при попадании 1 л нефти на 106 л воды. На открытых водных поверхностях с течением времени образуется эмульсионный слой нефть - вода, который частично препятствует газообмену между водой и воздухом. Этот эффект приводит к тому, что все живые организмы, находящиеся под этой пленкой, постепенно задыхаются.

При этом, прежде всего  при дыхании в клетках накапливается  СО2, что ведет к ацидозу, то есть подкислению клеточной жидкости. У морских птиц контакт с нефтью приводит к склеиванию оперения; птицы  утрачивают способность держаться  на воде и быстро гибнут от переохлаждения. Растворимые в воде окисленные компоненты нефти могут обладать токсическим действием.

Нефть, попавшая в природную  среду, подвергается микробиологическому  распаду, в котором участвуют  различные виды бактерий, но этот распад протекает так медленно, что нефть в течение недель или даже месяцев находится на поверхности воды. За это время ее легколетучие компоненты испаряются, а оставшиеся подвергаются медленному окислению. [5]

РФ.12.14.013

Лист

8

В результате обоих процессов малолетучие компоненты объединяются в сгустки, которые с течением времени опускаются на дно.

В отличие от загрязнений  природы нефтью загрязнения фенолами происходят в значительно меньших  размерах. Скорость распада фенолов  в воде зависит как от их химического строения, так и от окружающих условий. Особую роль при этом играют УФ-излучение, микроорганизмы и концентрация кислорода в воде. Простые фенолы в аэробных условиях под действием соответствующих бактерий полностью распадаются в течение 7 дней на 96-97% от исходного количества.

В анаэробных условиях распад идет медленнее. В сильно хлорированной  воде образуются хлорфенолы, которые  ухудшают вкус воды еще в большей  степени, чем негалогенизированные фенолы.

Фенолы используют для  дезинфекции, а также изготовления клеев и фенолформальдегидных пластмасс. Кроме того, они входят в состав выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей, образуются при сгорании и коксовании дерева и угля.

Наряду с упомянутыми  фенолами, имеются галогенсодержащие  соединения фенольного характера, которые при попадании в природную среду действуют не только как загрязняющие воду вещества, поэтому нуждаются в специальном рассмотрении.

К долгоживущим вредным  примесям в воде относится и так  называемая лигнинсульфоновая кислота, собственно лигнингидросульфит. Этот продукт образуется при обработке древесины гидросульфитом кальция при повышенных температуре и давлении. В результате этой реакции высокомолекулярный лигнин переходит в растворимую в воде форму и таким образом может быть отделен от целлюлозы. Кроме того, из древесины выделяют гемицеллюлозу и сахар. В то время как гемицеллюлоза (гексозан и пентозан) и сахара сравнительно быстро разрушается микробиологическим путем, лигнинсульфоновая кислота разрушается очень медленно.

Вредное действие лигнинсульфоновой кислоты прежде всего сказывается в том, что оно увеличивает вязкость воды, а также влияет на ее запах, цвет и вкус. Рыба также приобретает при этом неприятный вкус. Распад лигнинсульфоновой кислоты длится многие недели и, таким образом, сточные воды целлюлозной промышленности надо рассматривать как долговременный источник загрязнения. Сухую лигниновую кислоту можно сжечь, но при этом образуется большое количество SО₂, действие которого также надо устранять.

К числу продуктов, распад которых идет с трудом и длится более двух дней, относятся также хлорированные углеводороды, как, например, органические растворители с одним-двумя атомами углерода, полихлорированные бифенилы и хлорорганические пестициды. Хлоруглеводороды могут образоваться уже в самой воде, когда хлорированная вода входит в контакт с продуктами распада гумуса.

Хлорированные углеводороды, широко применяемые в качестве средств

борьбы с вредителями  сельского и лесного хозяйства, с переносчиками инфекционных болезней, уже многие десятилетия вместе со стоком рек и через атмосферу поступают в Мировой океан. [5]

РФ.12.14.013

Лист

9

Они легко растворимы в жирах и поэтому накапливаются  в органах рыб, млекопитающих, морских  птиц. Будучи ксенобиотиками, то есть веществами полностью искусственного происхождения, они не имеют среди микроорганизмов своих «потребителей» и поэтому почти не разлагаются в природных условиях, а только накапливаются в Мировом океане. Вместе с тем они остро токсичны, влияют на кроветворную систему, подавляют ферментативную активность, сильно влияют на наследственность.

Вместе с речным стоком в океан поступают и тяжелые металлы, многие из которых обладают токсичными свойствами. Общая величина речного стока составляет 46 тыс. км воды в год. Вместе с ним в Мировой океан

поступает до 2 млн. т свинца, до 20 тыс. т кадмия и до 10 тыс. т  ртути. Наиболее высокие уровни загрязнения имеют прибрежные воды и внутренние моря. Немалую роль в загрязнении Мирового океана играет и атмосфера. Так, например, до 30% всей ртути и 50% свинца, поступающих в океан ежегодно, переносится через атмосферу.

По своему токсичному действию в морской среде особую опасность представляет ртуть. Под влиянием микробиологических процессов токсичная неорганическая ртуть превращается в гораздо более токсичные органические формы ртути. Накопленные благодаря биоаккумуляции в рыбе или в моллюсках соединения метилированной ртути представляют прямую угрозу жизни и здоровью людей.

Ртуть, кадмий, свинец, медь, цинк, хром, мышьяк и другие тяжелые  металлы не только накапливаются  в морских организмах, отравляя тем  самым морские продукты питания, но и самым пагубным образом влияют на обитателей моря. Коэффициенты накопления токсичных металлов, то есть концентрация их на единицу веса в морских организмах по отношению к морской воде, меняются в широких пределах - от сотен до сотен тысяч, в зависимости от природы металлов и видов организмов. Эти коэффициенты показывают, как накапливаются вредные вещества в рыбе, моллюсках, ракообразных, планктонных и других организмах.

Для всех загрязняющих веществ  вводят нормативы, называемые предельно  допустимыми концентрациями (ПДК), более подробно рассмотрим их во второй главе. [5]

1.3. Бактериальное загрязнение

Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов и др. Этот вид загрязнений носит временный характер.

Органические соединения природного происхождения за некоторыми исключениями (например, лигнин) быстро разрушаются микроорганизмами. Иначе  ведут себя многочисленные синтетические  органические соединения. Для их разрушения микроорганизмам не хватает многих специфических ферментов. Поэтому для устранения некоторых органических соединений необходим дифференцированный подход. [5]

РФ.12.14.013

Лист

10

Процесс биологической  очистки воды связан с содержанием  в ней кислорода. При достаточном  количестве кислорода проявляется активность аэробных микроорганизмов, которые питаются органическими веществами. При этом обязуются СО₂ и Н₂О, а также нитраты, фосфаты, сульфаты и кислородсодержащие сомнения других элементов, которые содержались в исходных веществах. Выделенные нитраты и фосфаты играют особую роль в изменении состояния воды, так как в естественных водоемах они содержатся в столь малых количествах, что ограничивают рост растений и планктона.

Если выделенные нитраты  и фосфаты стимулируют рост водорослей и высших растений, то это будет способствовать усиленному росту зоопланктона и размножению высшей фауны, которые употребляют кислород для дыхания. С ростом числа живых организмов в воде увеличивается и количество отмирающих, для аэробного разрушения органических остатков которых также необходим кислород. При этом резко возрастает расход кислорода, и растения уже не могут восполнять eгo за счет фотосинтеза.

Растворение кислорода  воздуха также не идет достаточно быстро, особенно в тех случаях, когда  поверхность водоемов остается спокойной. Если органические остатки не будут вскоре переработаны, вода на длительное время останется без кислорода, необходимого для жизнедеятельности флоры и фауны, вплоть до того, что аэробные микроорганизмы уже не смогут более существовать. Их массовая гибель соответственно сопровождается массовым размножением анаэробных микроорганизмов, которые разрушают всю биомассу путем брожения. Этот переход от аэробного к анаэробному состоянию воды называют опрокидыванием.

После анаэробного распада в результате целого ряда взаимосвязанных процессов брожения образуются СН₄, СО₂, Н₂О, NH₃ и H₂S. Фосфор находится к клетках организма в виде фосфата и выделяется в этой форме. Распавшиеся в анаэробных процессах органические вещества так изменяют состояние воды, что делают невозможным в обозримое время ее возвращение к аэробному состоянию, если не предпринимать искусственные меры. Постоянно выделяющиеся NH₃ и H₂S еще сильнее отравляют воду.

Особую форму органических загрязнений представляют собой фекалии, так как они содержат патогенные микробы, присущие организмам человека и животных. Поэтому пробы воды при определении ее гигиенического состояния должны проверяться на содержание кишечных палочек (Escherichia coii, Klebsiella и др.). В отличие от других видов бактерий они могут жить только в определенной питательной среде (желчь - лактоза), что и позволяет селективно и достаточно просто определять их в этой питательной среде.

Общее представление  об уровне бактериального загрязнения  можно получить, выращивая в универсальной питательной среде бактерии в пробе воды в течение двух суток при 37 °С.

Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых  концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наиболее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). [5]

РФ.12.14.013

Лист

11