Химия воды и микробиология. Учебное пособие

УДК 54(07)

ББ24 я 723

А

Рецензенты:

Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова

Кандидат технических наук, доцент Г.Г. Голиков Кандидат химических наук, доцент генеральный директор

ООО «Диафарм» В.М. Староверов

Алифанова, А.И.

А17 Химия воды и микробиология: учебное пособие / А.И. Алифанова. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2013. – 75.

Учебное пособие разработано в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Химия воды и микробиология» для студентов направления подготовки бакалавриата - 270800 Строительство профиля подготовки «Водоснабжение и водоотведение».

Пособие включает сведения о свойствах воды, дисперсных системах, коллоидах. Подробно рассмотрены микробиология питьевой и сточной воды, морфологическая характеристика микроорганизмов. Представлены основы физиологии микроорганизмов и участие микроорганизмов в круговороте веществ в природе.

Рассмотрено санитарно – техническое воздействие на микроорганизмы, жизнедеятельность микроорганизмов на очистных сооружениях.

Данное издание публикуется в авторской редакции.

УДК 54(07) ББК 24 я 723

© Белгородский государственный технологический университет (БГТУ) им. В.Г. Шухова, 2013

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………………………………..3

1.Теоретические основы химии воды………………………………………… 5

1.1.Основные свойства воды…………………………………………………5

1.2.Внутренняя структура молекул воды……………………………………5

1.3.Физические и химические свойства воды……………………………….7

1.4.Вода – растворитель………………………………………………………9

2.Дисперсные системы. Коллоиды…………………………………………….11

2.1.Общие условия фазового равновесия…………………………………..11

2.2.Классификация дисперсных систем……………………………………12

2.3.Свойства коллоидных систем……………………………..……………13

2.4.Коагуляция коллоидных систем……………………………..…………16

3.Микробиология питьевых и сточных вод…………………...………………20

3.1.Общие представления о микроорганизмах…………………………….20

3.2.Распространение микроорганизмов в природе…………...……………22

3.3.Общие представления о микроорганизмах в системе живого мира….23

4.Морфологическая характеристика микроорганизм…………………...……27

4.1.Внешний вид, структура и форма микроорганизмов……….…………27

5.Физиология микроорганизмов……………………………………………….43

5.1.Классификация ферментов……………………………………...………44

5.2.Обменные процессы в клетках микроорганизмов…………………….47

5.3.Типы питания микроорганизмов………………………………………..48

5.4.Энергетические процессы микроорганизмов………………………….50

5.5.Микроорганизмы и окружающая среда………………………………..53

6.Микроорганизмы в превращениях и круговороте веществ в природе…….56

6.1.Круговорот углерода и азота……………………………………………56

6.2.Влияние внешних условий на развитие микроорганизмов…………...61

6.3.Основные пути распространения инфекции…………………………...64

6.4.Индикаторная роль бактерий группы кишечной палочки……………66

6.5.Распространение микробов в природе…………………………………67

6.6.Классификация водоемов по экологическому признаку….…………..69

6.7.Биологические факторы самоочищения водоемов……………………70

6.8.Санитарно-техническое взаимодействие на микроорганизмы……….72

7.Жизнедеятельность микроорганизмов на очистных сооружениях………..75

7.1.Очистка вод с помощью микроорганизмов……………………………75

Заключение………………………………………………………………………77

Библиографический список…………………………………………………….78

4

ВВЕДЕНИЕ

Вода - один из важнейших компонентов системы жизнеобеспечения. Огромные количества воды необходимы для удовлетворения бытовых потребностей населения, для нужд промышленности и сельского хозяйства. Использование воды практически всегда сопровождается ее загрязнением. А неизбежный возврат этой воды в водоемы приводит в свою очередь к загрязнению природных вод.

Рациональное использование водных ресурсов и сохранение чистоты природных водоисточников – составная часть проблемы охраню окружающей среды.

Для поддержания благоприятной экологической обстановки необходимо решить ряд задач как по разработке и внедрению безотходных, энергосберегающих технологий в промышленности, так и по обеспечению населения чистой воды. С этой целью при проектировании и строительстве очистных станций систем водоснабжения и водоотведения предусматривается применение современных сложных и разнообразных физико-химических, химических и биологических методов обработки и очистки природных и сточных вод.

Для эффективности эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения требуется высококвалифицированные специалисты.

Учебное пособие позволит специалистам ознакомиться с проблемами, возникающими в процессе проектирования, строительства и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения.

Затронутые вопросы помогут специалистам по водоснабжению и водоотведению предвидеть направленность проводимых ими процессов, оценить их рациональность и выбрать более эффективный метод очистки.

5

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ ВОДЫ

1.1. Основные свойства вода

Вода – одно из самых распространенных веществ на нашей планете; она имеет огромное значение в эволюции как живой, так и неживой природы. На земле происходит непрерывный круговорот воды. В результате испарения воды в поверхности океана и суши и выделения влаги растениями и живыми существами атмосферы насыщается парами воды. Неравномерное нагревание атмосферы вызывает в ней крупномасштабные перемещения воздушных масс над поверхностью земного шара, а вследствие конденсации вода снова возвращается на землю в виде росы, дождя града и снега.

Часть воды испаряется непосредственно с почвы и покрывающей ее растительности сразу же после выпадения на землю. Другая часть просачивается в почву, где она либо задерживается и используется растениями, либо проникает в подпочвенные горизонты, где соединяется с грунтовыми, а затем через них и с поверхностными водами. Наконец, некоторое количество воды остается на поверхности почвы, постепенно стекая в поверхностные водотоки.

Вследствие постоянного контакта с окружающей средой и включения в эту среду вода всегда содержит какие-либо вещества и практически никогда не бывает химически чистой. В то же время характер процессов, протекающих с участием воды, во многом определяется ее свойствами как индивидуального вещества.

1.2. Внутренняя структура молекул воды

Молекулы воды состоят из водорода и кислорода. Ядра водорода и кислорода образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два мелких ядра водорода, в вершине – более крупное ядро кислорода. Валентный угол у центрального атома кислорода, образованный связями Н-О-Н, составляет (рис. 1.1., а).

Рис.1.1. Строение молекулы воды

а – угол между валентными связями О – Н; б – структура электронного облака; в – расположение зарядов

6

Структура электронного облака молекулы схематично показана на (рис. 1.1., б). Две внешние пары электронов, образующих связи О-Н, смещены к атому кислорода, поэтому вблизи ядер атома водорода создается избыток положительного заряда. Две неподеленные пары электронов также смещены относительно ядра атома кислорода, и их отрицательные заряды остаются частично нескомпенсированными представить. Можно представить, что лепестки электронного облака направлены к вершинам частично искаженного тетраэдра (рис. 1.1., в). Ассиметричность распределения электрических зарядов обусловливает ярко выраженные полярные свойства молекулы воды.

Изотопный состав воды. Вода – продукт соединения двух химических элементов: водорода и кислорода. Оба эти элемента имеют несколько изотопов.

Для водорода известны три изотопа: протий 1 Н с массой 1,007822 у. е. (углеродных единиц), дейтерий 2 Н(D) - 2,0141 у. е. и тритий 3 Н(Т) - 3,017001 у.

е. ( последний образуется при процессах ядерных распадов). Содержание D в природной смеси изотопов водорода 0,014 - 0,015%.

Для кислорода известны также три изотопа с массовыми числами 16, 17 и 18. Соотношение их в природной смеси изотопов следующее: 2670 : 1 : 5.

Природная вода является смесью различных видов молекул следующего

тяжелой водой, а вода, в состав которой входит тритий, называется сверхтяжелой водой Т2О.

Тяжелая вода выделяется при длительном электролизе природной воды. Она труднее подвергается электролизному разложению и остается в ванне, так как скорость потери заряда у иона дейтерия во многом раз меньше, чем у иона протия.

По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной. Она замерзает при 3,8 0С , кипит при 101,4 0С , плотность ее 1,1059 (при 20 0С ). Максимальную плотность тяжелая вода имеет при +11 0С . Растворимость солей в такой воде ниже, чем в обычной. Тяжелая вода оказывает тормозящее действие на протекание жизненных процессов в животных и растительных организмах. Применяется тяжелая вода в урановых котлах в качестве замедлителя ядерного распада.

Сверхтяжелая вода Т2О имеет следующие (приблизительные) константы: т.

пл. +9 0С , т. кип. 104 0С , пл. 1,33.

Итак, вода – это смесь девяти различных видов молекул, поэтому в зависимости от их количественного соотношения все свойства воды, особенно плотность ее, не являются строго постоянными. Например, сравним значения плотности воды, полученной из различных источников.

7

Извлеченная из растительных организмов 1,0000017

Эти сравнительно небольшие различия в плотности образцов химически чистой воды различного происхождения уже явственно улавливаются измерительными приборами.

1.3. Физические и химические свойства воды Чистая вода – жидкость без запаха, вкуса и цвета (в толстом слое голубовато - зеленая). Основные физические характеристики воды следующие:

Уникальным свойством воды является ее способность при обычных температурах и давлении находиться в трех агрегатных состояниях: твердом (лед), жидком и газообразном (пар).

Повышение температуры воды вызывает нарушение регулярной структуры и приводит к тепловому расширению. В интервале температур от 0 0С до 4 0С (плавление льда) происходит разрушение части водородных связей, нарушается структура льда, достигается более плотная упаковка молекул в результате размещения отдельных молекул воды в пустотах оставшихся агрегатов. В этом интервале температур плотность воды повышается, достигая максимального значения при 3,98 0С . Дальнейшее нагревание воды до 100 0С сопровождается нормальным снижением плотности, так как преобладает действие теплового расширения. Эта аномалия обусловливает возможность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время. Поскольку лед легче воды (его плотность меньше), то он располагается на поверхности и защищает ниже слои воды от промерзания. При дальнейшем понижении температуры увеличивается

9

Поверхностное натяжение и плотность определяют высоту, на которую может подняться жидкость в капиллярной системе при фильтровании через пористые преграды.

Все аномальные явления связаны с особенностями строения молекул воды и с их способностью образовывать молекулярные агрегаты, или ассоциированные молекулы (Н2О)n .

Например, большая теплоемкость воды может быть объяснена распадом ассоциированных молекул при нагревании. Так как распад этих молекул сопровождается поглощением энергии, то при нагревании воды теплота расходуется не только на повышение температуры, но и на распад ассоциированных молекул.

Химические свойства воды. Вода – весьма реакционноспособное вещество. Она взаимодействует с окислами металлов и неметаллов, образуя гидраты основного и кислотного характера. Вода обладает амфотерными свойствами. При взаимодействии со щелочами она ведет себя как кислота, а с кислотами как основание. Активные металлы взаимодействуют с водой с выделением водорода. Например, калий и натрий разлагают воду без нагревания, магний при нагревании, в железо при сильном нагревании. В результате наличия в молекуле воды отрицательно зараженных ветвей электронного облака она способна входить в состав координационных соединений в виде лигандов с образованием донорно – акцепторной связи [

Вода взаимодействует с некоторыми солями, вызывая процесс обменного

взаимодействие с активными металлами (Na, K и др.) .

Вода – катализатор многих химических реакций. Взаимодействуя с некоторыми солями, вода вызывает процесс обменного разложения их – гидролиз. Вода – участник и среда для протекания множества биохимических реакций в живых организмах. Жизнь человека, растений, животных и микроорганизмов связана с водными растворами. В частности, процессы питания включают перевод веществ в раствор.

1.4. Вода - растворитель

Устойчивость воды в природных условиях объясняется высокой энергией образования молекул воды в сочетании с электрическими характеристиками и молекулярными строениями вода практически универсальный растворитель для многих веществ. Из неорганических веществ в воде растворимы очень многие соли, кислоты и основания. Из органических веществ растворимы лишь те, а

10

молекулах которых полярные группы составляют значительную часть – многие спирты, амины, органические кислоты, сахара и т. д.

Растворение веществ в воде сопровождается образованием слабых связей между их молекулами или ионами и молекулами воды. Это явление называется

гидратацией.

В процессе растворения веществ изменяется величина электрического момента воды, изменяется их пространственная ориентация, разрываются одни и образуются другие водородные связи. В совокупности эти явления приводят к перестройке внутренней структуры.

Растворимость твердых веществ в воде зависит от природы этих веществ и температуры и изменяется в широких пределах. Повышение температуры в большинстве случаев увеличивает растворимость солей.

При взаимном растворении жидкостей, одной из которых является вода, возможны различные случаи. Например, спирт и вода смешиваются друг с другом в любых соотношениях, так как оба полярны. Бензин (неполярная жидкость) в воде практически нерастворим. Наиболее общим является случай ограниченной взаимной растворимости. Примером могут служить системы вода – эфир, вода – фенол. При нагревании взаимная растворимость для одних жидкостей возрастает, для других – уменьшается.

Газы (например, NH3 , CO2 , SO2 ) хорошо растворимы в воде, в тех случаях,

когда они вступают с водой в химическое взаимодействие; обычно же растворимость газов невелика. При повышении температуры растворимость газов в воде уменьшается.

Следует отметить, что растворимость кислорода в воде почти в два раза меньше, чем растворимость азот. Вследствие этого состав растворенного в воде водоемом или очистных сооружений воздуха отличается от атмосферного. Растворенный воздух обогащен кислородом, что очень важно для организмов, обитающих в водной среде.

Для водных растворов, как и для любых других, характерны понижение упругости пара над раствором (по сравнению чистым растворителем), понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения. Одно из общих свойств растворов проявляется в явлении осмоса. Если два раствора разной концентрации разделены полупроницаемой перегородкой, молекулы растворителя проникаю через нее из разбавленного раствора в концентрированный. Механизм осмоса можно понять, если учесть, что, согласно общему естественному принципу, все молекулярные системы стремятся к состоянию наиболее равномерного распределения (в случае двух растворов – стремление к выравниванию концентраций по обе стороны перегородки). Количественной характеристикой осмоса служит осмотическое давление. По закону Вант – Гоффа осмотическое давление раствора равно давлению, которое проявляло бы растворенное вещество, если бы оно было газообразным и занимало бы объем, равный объему раствора.