Инженерная экология. Часть 4. Основы экологии производства. Учебное пособие

Эта способность молекул воды к ассоциации до некоторой степени объясняет ее аномальные по отношению к другим веществам свойства.

Плотность. Известно, что у многих веществ при нагревании увеличивается объем и уменьшается плотность (например, у ртути) [1]. У воды наблюдается то же самое, за исключением интервала от 0 до +4 °С, когда с возрастанием температуры объем воды не увеличивается, а, наоборот, уменьшается. Максимальная плотность воды наблюдается при+4 оС(масса1 см3 воды– 1 г), т. е. плотностьувеличиваетсяпритемпературе от 0 до +4 оС.;при 0 оС плотность льда составляет 916,8 кг/м2, а плотность воды – 999,968 кг/м3 [4]. Ученые предполагают, что при 0 °С вода в значительной части состоит из молекул (Н2О)3, а при нагревании ее до +4 °С утроенные молекулы переходят в (Н2О)2, что сопровождается увеличением плотности. При дальнейшем нагревании начинают преобладать простые молекулы и плотность постепенно уменьшается.

Вследствие уменьшения плотности воды лед плавает на поверхности воды. Теплопроводность льда намного меньше, чем воды, поэтому он надежно предохраняет водоемы от сквозного замерзания.

Теплоемкость. Теплоемкость воды не аномальна, но она 5...30 раз выше, чем у других веществ. Удельная теплоемкость воды в интервале температур от 0 до + 35 °С падает, а затем начинает возрастать: при

0 ºС составляет 4,205 кДж/кг·К; при 20 ºС – 4,178; при 60 ºС – 4,183; при 1000 ºС – 4,220.

Точкикипенияизамерзания(плавления). Температуракипенияна-

ходитсявпрямойзависимостиотдавления: сувеличениемдавленияона возрастает [1]. При давлении 1 атм температура кипения 100 ºС, при давлении2 атм– 120 ºС, придавлении6 атм– 158 ºС. Температуракипения повышается также с увеличением содержания в воде растворенных веществ.

Иная зависимость наблюдается между давлением и точкой замерзания (плавления) воды: с повышением давления она падает (но только до давления 2200 атм.). При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: если давление равно 3530 атм, вода замерзает при –17 °С, если 6380 атм – при 0 °С, если 16 500 атм – при

60 °С, а если 20 670 атм – при 76 °С [1].

Теплопроводность воды значительно больше, чем у других жидкостей (кроме металлов), и изменяется тоже аномально: до 150 °С

11

возрастает и лишь затем начинает понижаться (Вт/м·К): при 4,8 °С

составляет 0,54; при 12 °С – 0,57; при 40,8 °С – 0,65.

Электрические свойства воды. Вода – слабый проводник электрического тока. Электропроводность воды очень мала, но заметно возрастает при повышении температуры и давления: при 0 оС составля-

ет1,5·10–10; при18 оС– 4,4·10–10; при50 оС– 18,9·10–10 см/м[ 1 ]. Наличие растворенных солей в воде увеличивает ее электрическую проводимость, которая изменяется в зависимости от температуры.

Динамическая вязкость (внутреннее трение) – это свойство жид-

ких, а также газообразных и твердых тел оказывать сопротивление их течению, перемещению одного слоя относительно другого под действием внешних сил. Это свойство воды имеет очень большое значение при процессах фильтрования через пористые среды (например, песок). При нагревании вязкость воды быстро уменьшается, поэтому горячие водные растворы фильтруются значительно быстрее холодных. Вязкость минерализованныхитемболеерассольныхводпритехжетемпературах значительно повышается. При 0 °С динамическая вязкость чистой воды составляет 1,789 сПуаз (сантипуаз, 1 сПуаз = 1·10–2 дин с/см2), а при

100 °С – 0,282 [1].

Поверхностное натяжение – это работа образования единицы новой поверхности (свободная энергия единицы поверхности), или сила, действующая на поверхности (касательная к ней) и стремящаяся сократить свободную поверхность тела до наименьших возможных пределов при заданном объеме. Поверхностное натяжение измеряется:

1 дин/см = 1 эрг/см2 = 10-3 Н/м.

Возникновение последнего можно наглядно иллюстрировать следующей схемой (рис. 1). Расположенная внутри жидкости молекула А находится под действием притяжения соседних молекул одинаково со всехсторон. Напротив, лежащаянаповерхностимолекулаБиспытывает притяжение только с нижней стороны и тем самым втягивается внутрь жидкости. Поэтому и вся поверхность находится в состоянии известного натяжения. Под воздействием поверхностного натяжения небольшие объемы воды стремятся принять шарообразную форму, соответствующую наименьшей возможной величине поверхности для данного количества вещества. Так как молекулы воды сильно притягиваются друг к другу, вода характеризуется большой величиной поверхностного натяжения, которое при 18 °С составляет 72 дин/см (тогда как для спирта

12

она составляет 22, для ацетона – 24, для бензола – 29 дин/см). Надо отметить, что поверхностное натяжение воды очень чувствительно даже к следам примеси [1].

Рис.1. Схема возникновения поверхностного натяжения

Смачивание. Все вещества подразделяются на хорошо и плохо смачиваемые. Вещества, хорошо смачиваемые водой (песок, глина, стекло, ткани и т. д.), называют гидрофильными, а плохо смачиваемые – гидрофобными (парафин, жиры, сажа, тефлон). Процессы смачивания и поверхностного натяжения лежат в основе явления, называемого капиллярностью, когда находящийся в узком канале столбик воды способен самопроизвольно подниматься. Именно с капиллярностью тесно связаны циркуляция воды в почве, движение жизненных соков по корням и стеблям растений, а также крови и тканевых жидкостей в человеческом теле.

Оптические свойства воды. Прозрачность и мутность воды зависят от содержания в ней механических примесей, находящихся во взвешенном состоянии. Чем больше примесей в воде, тем больше ее мутность и меньше прозрачность. Прозрачность определяется длиной пути луча, проникающего вглубь воды, и зависит от длины волны луча. Ультрафиолетовые лучи проходят через воду легко, а инфракрасные – плохо. Показатель прозрачности используют для оценки качества воды и содержания в ней примесей.

Классификация примесей воды

Примеси в природных водах принято классифицировать по степени дисперсности, химическому составу и бактериологическим показателям.

13

По степени дисперсности примеси разделяются на грубодисперсные, коллоидно-дисперсные, истинно растворенные.

•Грубодисперсные примеси (размер частиц более 100 нм; 1 нанометр = 10–9 м, обладают малой седиментационной устойчивостью, т. е. способностью к расслаиванию.

•Коллоидно-дисперсные примеси (размер частиц от 1 до 100 нм)

образуют с водой гетерогенную систему с весьма развитой удельной поверхностью и обладают очень большой седиментационной и агрегативной устойчивостью. Под седиментационной устойчивостью следует понимать равномерное распределение примесей по объему воды; агрегативная устойчивость – это способность не изменять дисперсный состав в течение длительного времени.

•Истинно растворенные примеси (размер частиц менее 1 нм) пред-

ставлены в воде в виде отдельных ионов, молекул или комплексов, состоящих из нескольких молекул. Такие примеси не имеют поверхности раздела, вместе с водой они составляют гомогенную систему.

По химическому составу примеси разделяются на газовые, минеральные и органические.

•Газовые примеси – это газы, растворенные в воде из-за ее контакта

сатмосферой(О2, СО2, N2), игазы, образующиесяврезультатебиохимических процессов (H2S, SO2, NH3).

•Минеральные примеси – растворенные минеральные соли.

•Органические вещества представлены в основном гумусовыми веществами.

Кроме того, в воде могут находиться белки, жиры, эфирные масла и другие вещества.

Раздельное определение каждой из органических примесей трудоемко, поэтому на практике определяют их суммарное содержание в воде по косвенному показателю – биохимическому потреблению кислорода

(БПК) [6].

БПК характеризует количество растворенного в воде кислорода, идущее на окисление ее органических примесей вследствие протекания биохимичеких процессов.

Бактериологические показатели направлены на оценку эпидемио-

логической опасности (безопасности) вод и включают количественный

ивидовой анализ содержащихся в них микроорганизмов.

14

Микроорганизмы, количество которых в природных водах колеблется от нуля (подземные глубинные воды) до сотен тысяч в одном миллилитре воды, подразделяются на две группы:

•непатогенные, или сапрофиты, питающиеся неорганическим и мертвым органическим веществом; они являются представителями детритных цепей, т. е. обусловливают круговорот веществ в природе;

•патогенные, живущиенаживомсубстратеивызывающиезаболевания растений, животных и человека, в том числе распространение таких эпидемий, как холера, инфекционный гепатит, полиомиелит, дизентерия, сальмонеллез и т. д.

Ввиду сложности выделения при бактериологическом анализе собственно болезнетворных бактерий о санитарном благополучии природной воды первично судят по наличию в ней кишечной палочки, обитающей в кишечнике человека и животных. Кишечная палочка безвредна для человека, но наличие ее в воде указывает на загрязнение ее сточными водами и на возможное присутствие в ней возбудителей заразных болезней.

Показателем бактериологической загрязненности воды в РФ является колииндекс – количество кишечных палочек в 1 л воды [6]. Так, вода для купания считается чистой, если колииндекс находится в пределах от 0 до 10, слабозагрязненной – от 11 до 100, загрязненной – от 101 до 1000, сильнозагрязненный – от 1001 до 10 000 [13].

Ионный состав примесей воды характеризуется присутствием в ней катионов и анионов.

КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Нормативы качества питьевой воды при централизованном водоснабжении приведены в СанПиН 2.1.4.559-96 [7].

Все вещества по своему влиянию на организм человека и на жизнь водоема разделяются по лимитирующим показателям вредности (ЛПВ).

ЛПВ – это признак, характеризующийся наименьшей безвредной концентрацией вещества в воде.

Для питьевой воды установлены два ЛПВ: санитарно-токсилогичес- кий (с.-т.) и органолептический (орг.)

1. По санитарно-токсилогическому признаку вещества, оказывают влияние на организм человека и обитающих в водоеме живых организмов (токсичные вещества).

15

2. Поорганолептическомупризнакувеществаимеюттакиесвойства, как запах, вкус, цвет и т. д. (с расшифровкой характера изменения органолептических свойств воды: зап. – изменяет запах воды; окр. – придает воде окраску; пен. – вызывает образование пены; пл. – образует пленку на поверхности воды; привк. – придает воде привкус; оп. – вызывает опалесценцию).

Для веществ, содержащихся в питьевой воде, установлены четыре класса опасности:

I класс – чрезвычайно опасные; II класс – высокоопасные;

III класс – опасные;

IV класс – умеренно опасные.

В основу классификации положены показатели, характеризующие различнуюстепеньопасностидлячеловекахимическихсоединений, загрязняющих питьевую воду, в зависимости от токсичности, кумулятивности, способности вызывать отдаленные эффекты, от ЛПВ.

Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационномотношении, безвреднапохимическомусоставуииметьблагоприятные органолептические свойства [7]. Качество питьевой воды должно соответствовать гигиеническим нормативам перед ее поступлением в распределительную сеть, а также в точках водоразбора наружной и внутренней водопроводной сети.

Безопасность питьевой воды в эпидемическом отношении опре-

деляется ее соответствием нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям, представленным в табл. 1.

Безвредность питьевой воды по химическому составу определя-

ется ее соответствием нормативам:

•по обобщенным показателям и содержанию вредных химических веществ, наиболее часто встречающихся в природных водах на территории Российской Федерации, а также веществ антропогенного происхождения, получивших глобальное распространение (табл. 2);

•по содержанию вредных химических веществ, поступающих и образующихся в воде в процессе ее обработки в системе водоснабжения;

•по содержанию вредных химических веществ, поступающих в источники водоснабжения в результате хозяйственной деятельности человека.

16

Таблица 2

Нормативы качества питьевой воды по химическому составу

17

Окончание табл. 2

Неорганические вещества

18

Примечание

*Лимитирующий показатель вредности вещества, по которому установлены следующие нормативы: «с.-т.» санитарно-токсилогический, «орг.» – органолиптический.

**Величина, указаннаявскобках, можетбытьустановленапопостановлениюглавного государственного санитарного врача по соответствующей территории.

***Нормативы приняты в соответствии с рекомендациями ВОЗ.

В процессе подготовки питьевой воды и в процессе водоснабжения образуются химические вещества, приведенные в табл. 3.

Таблица 3

Вещества, образующиеся в воде в процессе ее обработки в системе водоснабжения, мг/л

Примечание * Норматив принят в соответствии с рекомендациями ВОЗ.

19

Приобнаружениивпитьевойводенесколькиххимическихвеществ, относящихся к I и II классам опасности и нормируемых по санитарнотоксикологическому признаку вредности, сумма отношений обнаруженных в воде концентраций каждого из них к величине его ПДК не должна быть больше 1. Расчет ведется по формуле

ПДКС1 1 + ПДКС2 2 +... + ПДКСn n ≤1,

где С1, С2, Сn – концентрации индивидуальных химических веществ I и II класса опасности фактическая и ПДК этих же веществ.

Благоприятные органолептические свойства воды определяются ее соответствием нормативам, указанным в табл. 4, а также нормативам содержания веществ, оказывающих влияние на органолептические свойства воды.

Примечание * Величина, указанная в скобках, может быть установлена для отдельных террито-

рий по постановлению Главного государственного санитарного врача для конкретных систем водоснабжения на основании оценки санитарно-эпидемиологической обстановки и применяемой схемы водоподготовки.

20