книги / Химия воды и основы очистки природных и сточных вод физико-химическими методами

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

И.С. Глушанкова, Л.В. Рудакова, Т.В. Нурисламова

ХИМИЯ ВОДЫ И ОСНОВЫ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2018

1

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные технологии очистки сточных вод, водоподготовки, глубокой доочистки воды в соответствии с требованиями природоохранного законодательства в большинстве своем основаны на физико-химических методах, ознакомление с которыми входит в учебные дисциплины «Химия воды и основы очистки природных

источных вод физико-химическими методами» для студентов, обучающихся по направлению 20.04.01 «Техносферная безопасность (профиль программы магистратуры «Инженерная защита гидросферы»), а также «Химия и технология очистки воды» для студентов, обучающихся по направлению 08.03.01 Строительство (профиль программы бакалавриата «Водоснабжение и водоотведение»).

Учебной программой дисциплин предусмотрено проведение лабораторных занятий, на которых изучаются основные химические

ифизико-химические методы очистки и обеззараживания промышленных и природных вод: хлорирование, нейтрализация, коагуляция, сорбция, ионный обмен.

Проведение лабораторных работ позволит студентам глубже изучить закономерности процессов очистки сточных вод, получить экспериментальные навыки, необходимые для проведения самостоятельной научно-исследовательской работы (прил. 1, 2).

Впособии рассмотрены методические принципы проведения лабораторных работ и обработки полученных экспериментальных результатов.

Вкаждой главе представлены теоретические сведения об основных закономерностях очистки сточных вод исследуемыми методами

иуказания к выполнению лабораторных работ.

При написании пособия использованы материалы курса лекций и методические пособия, опробованные авторами в ПНИПУ в 2010–2017 гг.

5

1.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОСТАВА ПРИРОДНЫХ

ИСТОЧНЫХ ВОД. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ

1.1.Краткая характеристика природных

источных вод

Природные воды

Природные воды представляют собой поверхностные воды рек, морей, озер, океанов, подземные воды, воды ледников, а также атмосферные воды, которые характеризуются различными свойствами и составом.

Формирование химического состава природных вод обусловлено протеканием сложных геологических, климатических, биохимических, физико-химических процессов взаимодействия воды с горными породами, почвой, атмосферой. При этом происходит растворение соединений, газов в воде, химическое взаимодействие веществ с водой и водными растворами, биохимические реакции и др. Значительное влияние на состав природных вод оказывают антропогенные факторы, а именно состав сбрасываемых сточных вод, твердых отходов, складируемых на поверхности, и др.

Основными природными минералами, определяющими состав природных вод, являются соединения: галит – NaCl, кальцит, из-

вестняк – CaCO3, гипс – CaSO4·2Н2О и доломит CaCO3·MgCO3.

Природные воды содержат более 60 различных химических элементов и более 200 их соединений. Несмотря на разнообразие состава природных вод, можно выделить основные катионы и анионы, определяющие особенности их свойств. Основные катионы –

Na+, Ca2+, Mg2+, K+, анионы – НСО3 , SO24 , Cl–.

По солесодержанию (г/дм3) природные воды делятся на следующие виды:

1)пресные до 1 (речные пресноводные воды);

2)солоноватые 1–25 (озера);

3)воды с морской соленостью 25–50;

4)соленыеводы> 50 (озера, подземныеводы, Мертвоемореидр.)).

6

О.А. Алекиным предложена классификация природных вод по химическому составу, согласно которой природные воды по преобладающему аниону делятся на три класса:

1)карбонатные или гидрокарбонатные (С);

2)сульфатные (S);

3)хлоридные (CI).

По преобладающему катиону природные воды делятся на следующие виды:

1)кальциевая (Са);

2)магниевая (Mg);

3)натриевая (Nа).

Морская вода относится к хлоридно-натриевому типу, и содержание основных катионов уменьшается в ряду Na+ > Mg2+ > Ca2+ >

> K+ > другие катионы, а анионов –Cl– > SO24 > НСО3 > Br– > дру-

гие анионы.

Речные пресные воды относятся к карбонатно-кальциевому типу. Концентрация катионов распределяется следующим образом: Ca2+ > Na+ > Mg2+ > K+, а анионов – НСО3 > SO24 > Cl– > другие

анионы.

Дождевая вода характеризуется содержанием ионов Na+ и SO24 .

В воде присутствуют растворенные газы, содержащиеся в атмосфере (кислород, азот, углекислый газ и др.), а также образующиеся при фотосинтезе и дыхании микроорганизмов воды, биохимических процессов, протекающих в воде водоема. Концентрация растворенных газов в воде зависит от ряда факторов: природы газа, температуры воды, степени минерализации воды, парциального давления газа над водой, рН воды и т.п. Концентрация СО2 в природной воде составляет 0,5 мг/дм3 (10–5 моль/дм3) при температуре 293 К. Концентрация О2 взначительной степени зависит от содержания в воде органических веществ и температуры. При увеличении температуры от 295 до 308 К концентрациякислородавчистойводеуменьшаетсяот9,0 до6,5 мг/дм3.

Одним из важных показателей природных вод является жесткость воды, под которой понимают суммарное содержание в воде ионов кальция и магния, выраженное в ммоль(экв)/дм3.

7

По жесткости природные воды делятся:

–на очень мягкие – менее 1,5 мг-экв/ дм3;

–мягкие – 1,5–3,0 мг-экв/дм3;

–средней жесткости – 3,0–5,0 мг-экв/ дм3;

–жесткие – 5,0–10,0 мг-экв/дм3;

–очень жесткие – более 10,0 мг-экв/дм3.

Вводе ионы Ca2+ и Mg2+ связаны с ионами HCO3–, SO24 , Cl–

идр. Жесткость воды, обусловленную содержанием гидрокарбонатов кальция и магния, называют гидрокарбонатной, карбонатной или временной жесткостью. При нагревании воды соли временной жесткости разлагаются с выделением менее растворимых карбонатов магния и кальция:

Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O

Некарбонатная жесткость (постоянная) обусловлена присутствием в воде сульфатов (растворимость CaSO4 – 2 г/дм3), хлоридов, гидроксидов кальция и магния.

Природные воды представляют собой сложные дисперсные системы.

Мутность и цветность природных вод обусловлена наличием в них мелкодисперсных глинистых частиц и высокомолекулярных гумусовых соединений. Источником окрашенных веществ в природных водоемах являются почва, торф, дубильные вещества, экстрагируемые водой из растений.

Гумусовые соединения представляют собой комплекс органических веществ – продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами – гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин. Источником ароматических соединений могут быть продукты биохимического разложения целлюлозы, лигнина и дубильных веществ, а источником азотсодержащих соединений – протоплазма микроорганизмов, участвующих в процессах распада и синтеза органических соединений. Гуминовые кислоты и фульвокислоты в зависимости от состава воды и величины рН могут образовывать истинные растворы, коллоидные и малорастворимые вещества.

8

В природных водах в зависимости от их состава, условий среды (температура, рН и др.) геофизических процессов формируются водные биоценозы, представляющие сообщества микроорганизмов, водорослей, зоопланктонаи бентоса, высшей водной растительностии рыб.

На биоценоз природных вод наибольшее влияние оказывают сточные воды, сбрасываемые в водоем.

Сточные воды (СВ) – это дождевые, талые, инфильтрационные, поливомоечные, дренажные воды, сточные воды централизованной системы водоотведения и другие воды, отведение (сброс) которых в водные объекты осуществляется после их использования

Сточные воды могут быть классифицированы по следующим основным признакам:

источник происхождения;

дисперсность;

концентрация загрязняющих веществ;

химические свойства загрязняющих веществ;

кислотность среды;

токсическое действие загрязняющих веществ на водные объекты.

По источнику происхождения можно выделить следующие виды сточных вод:

хозяйственно-бытовые сточные воды, образующиеся в жи-

лых помещениях, а также в бытовых помещениях на производстве, например столовые, душевые кабины, туалеты и др.;

поверхностные (ливневые) сточные воды, образующиеся

врезультате выпадения атмосферных осадков, которые делят на дождевые и талые;

промышленные сточные воды, образующиеся в технологических процессах или при добыче полезных ископаемых;

условно-чистые сточные воды – вода для охлаждения обо-

рудования, паровой конденсат;

производственные сточные воды делятся на потоки (низко-

и высококонцентрированные, содержащие токсичные веществаи т.п.);

городские сточные воды – бытовые сточные воды, отводимые от помещений, или их смесь с частично очищенными производственными и/или поверхностными сточными водами.

9

Сточные воды представляют собой сложные дисперсные системы. Дисперсные системы – это гетерогенные системы, состоящие из нескольких фаз, чаще двух. Одна из фаз распределена в другой.

Сплошную фазу, например воду, газ, называют дисперсионной средой, а вторую – дисперсной фазой.

Классификация примесей по фазово-дисперсному состоянию представлена в табл. 1.1.

Таблица 1 . 1 Классификация примесей по фазово-дисперсному состоянию

ВСНиП 2.04.02–84 представлена следующая классификация вод по количеству взвешенных веществ: маломутные – до 50 мг/л; средней мутности – 50–250 мг/л; мутные – 250–1500 мг/л; высокомутные – свыше 1500 мг/л. Предельноесодержаниевзвесейвводепитьевой–1,5 мг/л.

Взависимости от фазово-дисперсного состава примесей и содержания взвешенных веществ в сточных водах можно подобрать определенный набор методов очистки сточных вод.

10