/
Author: Карюхина Т.А. Чурбанова И.Н.
Tags: водоснабжение очистка воды водопотребление биология клетки и субклеточных частиц цитология отдельные виды строительства микробиология химические вещества водоотведение
ISBN: 5-274-00455-5
Year: 1995
Text
Учебенмм дПа Тсшнниумсв
Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова
ХИМИЯ воды
И МИКРОБИОЛОГИЯ
Мое к ва-Ст рой издат
Т. А. На рюхи на, И.Н.Чурбанова
химия воды
И МИКРОБИОЛОГИЯ
3-е издание,
переработанное и дополненное
Рекомендовано
Госкомвузом России
в качестве учебника для средних
специальных учебных заведений
Москва Стройиздат 1995
ББК 38.761
К 27
УДК 628.1.03: (54+576.8) <075.32)
Федеральная целевая программа книгоиздания
России
Рецензент — проф. Е.И. Медведева
Редактор М.В. Перевалюк
Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н.
К27 Химия воды и микробиология: Учеб, для технику-
мов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат,
1995. - 208 с.: ил.
ISBN 5-274-00455-5
Рассмот рены теоретические основы химии воды. Изложены осно-
вы морфоло1ии и физиологии микроор1анизмов, участвующих в
биологических процессах в естественных условиях и на очистных соо-
ружениях систем водоснабжения и водоотведения. Приведен состав и
дана --ценка качества природных, питьевой и сточных вод. Изд 2-е вы-
шло в 1983 г Изд 3-е переработано и дополнено в соответствии с но-
выми техническими решениями и нормативными документами.
Для учащихся средних специальных учебных заведений по
специальности "Эксплуатация оборудования и систем водоснабжения и водо-
отведения".
3309WMWOO —445
К---------------------Без объяви.
047(01) —95
ББК 38.761
ISBN 5-274-00455-5
© Стройиздат, 1974
© Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н.,
1995, с изменениями
ПРЕДИСЛОВИЕ
Рациональное использование водных ресурсов и сохра-
нение чистоты природных водоисточников — составная
часть проблемы охраны окружающей среды.
Вода — один из важнейших компонентов системы
жизнеобеспечения. Огромные количества воды необходимы
для удовлетворения бытовых потребностей населения, для
нужд промышленности и сельского хозяйства. Использо-
вание воды практически всегда сопровождается ее загряз-
нением, а неизбежный возврат этой воды в водоемы
приводит в свою очередь к загрязнению природных вод.
Для поддержания благоприятной экологической обстановки
в ближайшие годы предстоит решить ряд задач как по
разработке и внедрению безотходных, энергосберегающих
технологий в промышленности, так и по обеспечению на-
селения чистой водой. С этой целью при проектировании
и строительстве очистных станций систем водоснабжения
и водоотведения предусматривается применение современ-
ных сложных и разнообразных физико-химических,
химических и биологических методов обработки и очистки
природных и сточных вод
Для эффективной эксплуатации систем водоснабжения
и водоотведения требуется высококвалифицированный
персонал.
Предлагаемое справочное пособие позволит
специалистам ознакомиться с проблемами, возникающими
в процессе проектирования, строительства и эксплуатации
систем водоснабжения и водоотведения. Пособие может
быть использовано в качестве учебника для учащихся
средних специальных учебных заведений.
РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ХИМИИ воды
Глава!. ВОДА И ЕЕ СВОЙСТВА
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 во-
ды в поверхности океанов и суши и выделения влаги рас-
тениями и живыми существами атмосфера насыщается
ларами воды. Неравномерное нагревание атмосферы вызы-
вает в ней крупномасштабные перемещения воздушных
масс над поверхностью земного шара, а вследствие кон-
денсации вода снова возвращается на землю в виде росы,
дождя, града и снега.
Часть воды испаряется непосредственно с почвы и пок-
рывающей ее растительности сразу же после выпадения
на землю. Другая часть просачивается в почву, где она
либо задерживается и используется растениями, лйбо
проникает в подпочвенные горизонты, где соединяется с
грунтовыми, а затем через них и с поверхностными водами.
Наконец, некоторое количество воды остается на поверх-
ности 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 се свойствами
как индивидуального вещества.
1. МОЛЕКУЛА ВОДЫ
Вида, или оксид водорода НгО, имеет молекулярную
массу 18,016. На водород приходится 11,19% массы, на
кислород — 88,81%.
В природе встречаются три изотопа водорода: *Н —
протий, 2Н — дейтерий и 3Н — тритий и три изотопа
кислорода 1бО, О и 8О, образующих 9 устойчивых изо-
топных модификаций молекул воды. В природной воде на
4
Рис. 1. Строение молекулы виды
а — уизл между валентными связями О—Н; 6 — структура электрон-
ного облака; н — расположение зарядов
долю ’н210О по массе приходится 99,73%, на долю
’Н218О — 0,2%, на *Н217О — 0,04% и на 1Н2Н1ЬО —
около 0,03%; остальные пять разновидностей содержатся
в ничтожных количествах. Помня о многообразии состава
воды, мы тем не менее пользуемся привычной формулой
так как она является символом основного компо-
нента.
В молекуле воды ядра водорода и кислорода образуют
равнобедренный треугольник, в основании которого нахо-
дятся два мелких ядра водорода, в вершине — более круп-
ное ядро кислорода. Валентный угол у центрального атома
кислорода, образованный связями Н—О—Н, составляет
104°27’ (рис. 1, а). Структура электронного облака моле-
кулы схематично показана на рис. 1, б. Две внешние пары
электронов, образующих связи О—Н, смещены к атому
кислорода, поэтому вблизи ядер атомов водорода создается
избыток положительного заряда. Две неподеленные пары
электронов также смещены относительно ядра атома кисло-
рода, и их отрицательные заряды остаются частично не-
скомпенсированными. Условно можно представить, что ле-
пестки электронного облака направлены к вершинам
частично искаженного тетраэдра, что иллюстрируется
рис. 1, в. Ассиметричность распределения электрических
зарядов обусловливает ярко выраженные полярные свойства
молекулы воды, которая представляет собой диполь с очень
высоким электрическим моментом.
Измерения молекулярной массы жидкой воды показали,
что она выше молекулярной массы воды в парообразном
состоянии; это свидетельствует об ассоциации молекул —
объединении их в сложные агрегаты. Вследствие тетра-
эдрической направленности электронного облака каждая
5
Рис. 2. Схема взаимодействия молекул
вс ты в структуре
1 — кислород, 2 — водород; 3 —
химические связи, 4 — водородные
связи
о - /
0-7
-----J
-----4
мочекула воды может образовать четыре водородные связи,
которые обусловливают ассоциацию молекул воды и спо-
собствуют возникновению ее упорядоченной внутренней
структуры.
Водородные связи непрочны, легко разрушаются и обра-
зуются даже при обычных тепловых движениях молекул.
Полностью все четыре водородные связи реализуются
при замерзании волы. В твердом состоянии каждая моле-
кула тетраэдрически окружена четырьмя другими — гремя
из того же слоя и одной их соседнего слоя молекул. Схема
взаимодействия молекул воды в структуре льда показана
на рис. 2. Структура льда является наиболее упорядочен-
ной и наименее плотной. Ее особенность заключается в
наличии пустот, размеры которых превышают размеры мо-
лекул.
2. СВОЙСТВА ВОДЫ
Чистая вода —* жидкость без запаха, вкуса и цвета
(лишь в слое толщиной более 2 м голубоватая). Основные
физические характеристики воды (при давлении 0.1 МПа)
следующие:
Температура.
замерзания, плавления .............................0°С
кипения .........................................100°С
Плотился, при температуре, °C;
V ........................................ 0.99984 г/см
3.98 ................................ 0,99997 г-ем
20 ......................................0,9982 "
Удельная теплоемкость воды при t-20°С . . . 4.178 Дж/й.К)
Вязкость при температуре, °C:
6
О........................................0,001793 Па с
25 .....................................0.000895 Па с
Удельная электрическая проводимость
ирИ|-2О°С . . .........................4,2-104 см/м
Относительна я диэлектрическая постоянная при t ’* 20"С . . 81
Помрхноспюе натяжение при .........73-1O’3 Н/м
По сравнению с другими химическими соединениями
вода обнаруживает необычные отклонения по ряду
физических свойств — плотности, удельной теплоемкости
и др. Эти аномалии воды в значительной степени связаны
с ассоциацией ее молекул.
Уникальным свойством воды является ее способность
при обычных температурах и давлении находиться в трех
агрегатных состояниях; твердом (лед), жидкрм и газооб-
разном (пар).
Повышение температуры воды действует двояко: вызы-
вает нарушение регулярной структуры и приводит к теп-
ловому расширению. В интервале температур от 0 до 4°С
(плавление льда) происходит разрушение части водородных
связей, т.е. нарушается структура льда, достигается белее
плотная упаковка молекул в результате размещения
отдельных молекул воды в пустотах оставшихся агрегатов.
В этом интервале температур фактор нарушения структуры
преобладает над тепловым расширением, и плотность воды
повышается, достигая максимального значения при 3,98°С,
При 3,98°С оба фактора взаимно уравновешиваются. Даль-
нейшее нагревание воды до 100°С сопровождается нормаль-
ным снижением плотности, так как преобладает действие
теплового расширения. Эта аномалия обусловливает воз-
можность жизни в водоемах, замерзающих в зимнее время.
Поскольку лед легче воды (его плотность меньше), то он
располагается на поверхности и защищает лежащие ниже
слои воды от промерзания. При дальнейшем понижении
температуры увеличивается толщина слоя льда, но темпе-
ратура воды подо льдом остается на уровне 4°С, что поз-
воляет водным организмам сохранять жизнь.
Большое значение в жизни природы имеет также и
тот факт, что вода обладает аномально высокой теплоем-
костью — 4,18 Дж/(гК). Высокая теплоемкость воды есть
следствие расхода части теплоты на разрыв водородных
связей. В природных условиях вода медленно остывает и
медленно нагревается, являясь регулятором температуры
на Земле.
7
Вязкость (способность жидкости оказывать
сопротивление различным формам движения) воды зако-
номерно изменяется в зависимости от температуры: умень-
шается с ее возрастанием. С повышением концентрации
растворенных в воде солей вязкость увеличивается. В то
же время действие давления на вязкость воды довольно
специфично: с понижением температуры при умеренном
давлении вязкость воды снижается, хотя логично было бы
ожидать ее повышения, а если давление увеличить
значительно, то поведение воды подчиняется общему
правилу.
Относительная диэлектрическая постоянная воды равна
81 — это очень высокая величина, чем и объясняется такая
большая ионизирующая сила воды.
Вода имеет максимальное для жидкостей (кроме ртути)
поверхностное натяжение, благодаря чему обеспечивается
возможность движения соков в растениях, крови в сосудах
животных и человека. С повышением температуры повер-
хностное натяжение воды уменьшается.
Оптические свойства воды оцениваются по ее проз-
рачности, которая в свою очередь зависит от длины волны
луча, проходящего через воду. Ультрафиолетовые лучи лег-
ко проходят через воду, поэтому растительные организмы
способны развиваться в толще воды и на дне водоемов,
инфракрасные лучи проникают только в поверхностный
слой и в незначительной степени. Вследствие поглощения
оранжевых и красных компонентов видимого света вода
приобретает голубоватую окраску.
Химически чистая вода очень плохо проводит
электрический ток, но все же обладает некоторой элект-
ропроводимостью, так как она способна в очень не-
значительной степени диссоциировать на ионы водорода и
гидроксил-ионы
Н2О Н+ + ОН’.
По величине электропроводимости чистой воды
вычислено, что при температуре 18РС в 10 млн л воды в
диссоциированном состоянии находится 0.86 моля воды,
при 22°С — 1 моль, при 25°С — 1,109 моля.
По закону Гульбсрга и Вааге скорость химической
реакции прямо пропорциональна действующим массам, т.е.
концентрациям реагирующих веществ. Поэтому можно
написать
8
v. - *1[H2O]; v2 - K2lH+]|0H ],
где X) и vt— скорой и прямой и обратной реакций; Ki и Кг — коэффициенты
пропорциональное!и в выражениях скоростей, называемые константами
реакций
В момент равновесия процесса скорости vi и V2 равны
друг другу, следовательно
[Н+ ][ОН']/[Н2О] - К1/Х2 - /С, (J)
еде К — кона анта равновесия реакции при данной температуре, или констан-
та диссоциации воды.
Уравнение (1) можно переписать в таком виде:
[Н+]ГОН ] - ХЧН2О].
Поскольку степень диссоциации воды очень мала, то
концентрация недиссоциированных молекул воды
практически равна общей концентрации воды, т.е.
55,55 моль/л, а поэтому произведение КЧН2О] можно
считать константой. Эту константу обозначают Kw и на-
зывают ионным произведением воды
Kw - [Н+][ОН].
Для воды и разбавленных водных растворов при неизмен-
ной температуре произведение концентраций ионов водорода
и гидроксил-ионов есть величина постоянная. Численное зна-
чение ионного произведения воды при 22°С составляет 10 4.
Вода — весьма реакционноспособное соединение. Она
реагирует с оксидами многих металлов (NaiO, СаО и др.)
и неметаллов (СЮг, СО? и др.), образует кристаллогидра-
ты с некоторыми солями [А12<5О4)з'18Н2О], вступает во
взаимодействие с активными металлами (Na, К и др ).
Вода — катализатор многих химических реакций, и
иногда для прохождения реакции необходимы хотя бы ее
следы. Взаимодействуя с некоторыми солями, вода вызы-
вает процесс обменного разложения их — гидролиз. Во-
да — участник и среда для протекали я множества
биохимических реакций в живых организмах. Жизнь че-
ловека, растений, животных и микроорганизмов связана с
водными растворами. В частности, процессы питания вклю-
чают перевод вещества в раствор.
3. ВОДА — РАСТВОРИТЕЛЬ
Энергия образования молекул воды высока, она сос-
тавляет 242 кДж/моль. Этим объясняется устойчивость во-
ды в природных условиях. Устойчивость в сочетании с
9
электрическими характеристиками и молекулярным стро-
ением делают воду практически универсальным растворите-
лем для многих веществ. Высокая диэлектрическая
проницаемость обусловливает самую большую растворяю-
щую способность воды по отношению к веществам, мо-
лекулы которых полярны. Из неорганических веществ в
воде растворимы очень многие соли, кислоты и основания.
Из органических веществ растворимы лишь те, в молекулах
которых полярные группы составляют значительную
часть — многие спирты, амины, органические кислоты, са-
хара и т.д.
Растворение веществ в воде сопровождается образо-
ванием слабых связей между их молекулами или ионами
и молекулами воды. Это явление называется гидратацией.
Для веществ с ионной структурой характерно
формирование гидратных оболочек вокруг катионов за
счет донорно-акцепторной связи с неподслеиной парой
электронов атома кислорода. Катионы гидратированы тем
в большей степени, чем меньше их радиус и выше заряд.
Анноны, обычно менее гидратированные, чем катионы,
присоединяют молекулы воды водородными связями.
В процессе растворения веществ изменяется величина
электрического момента диполя молекул воды, изменяется
их пространственная ориентация, разрываются одни и обра-
зуются 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. Однако раст-
воримость таких соединений, как CaSO4 2H2O, Са(ОН)2,
при повышении температуры снижается.
При взаимном растворении жидкостей, одной из кото-
рых является вода, возможны различные случаи. Например,
спирт и вода смешиваются друг с другом в любых соот-
ношениях, так как оба полярны. Бензин (неполярная
жидкость) в воде практически нерастворим. Наиболее
общим является случай ограниченной взаимной раст-
воримости. Примером могут служить системы вода—эфир,
вода—фенол. При нагревании взаимная растворимость для
одних жидкостей возрастает, для других — уменьшается.
Например, для системы вода—фенол повышение темлера-
ю
туры выше 68°С приводит к неограниченной взаимной рас-
творимости.
Газы (например, NHj, СО2, SO2) хорошо растворимы в
воде, как правило, в тех случаях, когда они вступают с водой
в химическое взаимодействие; обычно же растворимость газов
невелика. При повышении температуры растворимость газов
в воде уменьшается. Ниже приведены данные по раст-
воримости в воде (при атмосферном давлении) кислорода —
важнейшего атемента для всех биологических процессов в
водоемах и сооружениях по очистке загрязненных вод.
Температура воды, °C..........О 10 20 30
Концентрации Ог, мг/л.........14,62 11,33 9,17 7,63
Следует отметить, что растворимость кислорода в воде
почти в 2 раза выше, чем растворимость азота. Вследствие
этого состав растворенного в воде водоемов или очистных
сооружений воздуха отличается от атмосферного. Раство-
ренный воздух обогащен кислородом, что очень важно для
организмов, обитающих в водной среде.
Для водных растворов, как и для любых других, харак-
терны понижение упругости пара над раствором (по сравнению
с чистым растворителем), понижение температуры замер-
зания и повышение температуры кипения. Одно из общих
свойств растворов проявляется в явлении осмоса. Если два
раствора разной концентрации разделены полупроницаемой
перегородкой, молекулы растворителя проникают через нее
из разбавленного раствора в концентрированный. Механизм
осмоса можно понять, если учесть, что, согласно общему есте-
ственному принципу, все молекулярные системы стремятся
к состоянию наиболее равномерного распределения (в случае
двух растворов — стремление к выравниванию концентраций
по обе стороны перегородки). Количественной харак-
теристикой 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 рас-
твора.
4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ВОДЫ И ПРАВИЛО ФАЗ
В физической химии системой называется тело или
группа тел, выделенных из материального мира и имеющих
определенные границы, которые отделяют их от окружа-
п
ющсй среды. Системы могут быть гомогенными и гетеро-
генными. Система является гомогенной, если каждый пара-
метр имеет во всех ее частях одинаковое значение или
непрерывно изменяется от точки к точке. Например, вода
дистиллированная (в какому-либо сосуде) — система гомо-
генная, так как в любой точке все свойства этой воды
или одинаковы (плотность, удельная электропроводимость,
теплопроводность и др.), или непрерывно изменяются от
центра системы к ее границам (например, температура).
К гомогенным системам относятся смеси газов, молекуляр-
ные и ионные растворы.
Гетерогенная система состоит из нескольких макро-
скопических частей, отделенных одна от другой видимыми
поверхностями раздела. На этих поверхностях некоторые
параметры изменяются скачком. Если создать насыщенный
раствор какой-либо соли в воде, чему сопутствует наличие
твердой соли на дне сосуда, то такая система "раствор +
твердая соль" гетсрогснна. В этом примере на границе раз-
дела скачкообразно изменяются химический состав и плот-
ность. Гомогенные части системы, отделенные от остальных
частей видимыми поверхностями раздела, называются
фазами. Например, совокупность кристаллов соли в насы-
щенном растворе составляет одну фазу, раствор над твердой
солью — другую.
Состояние системы описывается совокупностью ее
свойств (или свойств фаз) — температурой, давление, мас-
сой, плотностью, химическим составом, а также связями
между изменениями этих свойств.
Каждое вещество, которое может быть выделено из
системы и существовать вне ее, называется актавляющим
веществом. В водном растворе хлористого натрия состав-
ляющими веществами могут быть НгО и NaCl, но не ионы
Na+ и СТ, так как они не могут существовать вне рас-
твора.
Важная характеристика системы — число компонентов
(Л), под которым понимают наименьшее число составля-
ющих веществ, с помощью которых можно описать состав
каждой фазы системы в отдельности.
Если в системе не протекает химических реакций,
число компонентов равно числу составляющих веществ.
Например, в однофазной системе из газообразных гелия,
водорода и аргона число компонентов равно числу состав-
12
ляющих веществ, т.е. трем, так как реакции между этими
газами невозможны.
В системе, где составляющие вещества способны
взаимодействовать друг с другом, число компонентов всегда
меньше числа составляющих веществ. Например, водород
и газообразный иод реагирует с образованием газообразного
йодистого водорода. В этой системе
Н2(г) + 12(г) - 2Н1(г)
концентрации составляющих веществ при равновесии свя-
заны уравнением
[HI]2/[H2][l2j - К, (2)
где К —. константа равновесия, имеющая определенное зна-
чение при заданной температуре. В этом случае для опреде-
ления состава равновесной системы достаточно знать концент-
рации любых двух составляющих веществ, так как концент-
рация третьего определяется уравнением (2). Иными словами,
система имеет два компонента. В общем случае число компо-
нентов равно числу составляющих веществ минус число урав-
нений, связывающих концентрации этих веществ в равновес-
ной системе.
Для описания системы необходим еще один параметр —
число степеней свободы с, которое означает число не-
зависимых переменных (температура, давление, концент-
рация составляющих веществ), определяющих тер-
модинамическое состояние равновесия системы. Значения этих
переменных можно в известных пределах произвольно изме-
нять, не меняя числа и вада фаз в системе. По числу степеней
свободы системы называют инвариантными, у которых число
степеней свободы равно нулю, моновариантными — с одной
степенью свободы, бивариантными — с двумя и тщ.
В 1876 г. Гиббсом было сформулировано правило фаз,
которое охватывает все случаи равновесия систем как го-
могенных, так и гетерогенных. Это правило гласит: Число
степеней свободы с равновесной термодинамической систе-
мы, на которую из внешних факторов влияют только дав-
ление и температура, равно числу компонентов системы к
плюс 2 и минус число фаз /, т.е.
с - к + 2 — /.
Нетрудно подсчитать, что для описанной выше газооб-
разной смеси кадия, водорода и аргона число степеней сво-
боды равно четырем, а для системы водород—газообразный
иод—газообразный иодистый водород — трем.
13
Рис. 3. Диаграмма
состояния воды
Диаграмма состояния — наглядный способ представ-
ления областей существования различных фаз в
зависимости от внешних условий, например от давления
и температуры.
Диаграмма состояния воды — система с одним компонен-
том Н2О, поэтому наибольшее число фаз, которые одновре-
менно могут находиться в равновесии, равно трем. Эти три
фазы — жидкость, лед, пар. Число степеней свободы в этом
случае равно нулю, т.е. нельзя изменить ни давление, ни
температуру, чтобы не исчезла ни одна из фаз. Обычный лед,
жидкая вода и водяной пар могут существовать в равновесии
Одновременно только при давлении 0,61 кПа и температуре
0,0075°С. Точка сосуществования трех фаз называется тройной
точкой (точка О, рис. 3).
Кривая ОС разделяет области пара и жидкости и пред-
ставляет собой зависимость давления насыщенного водяного
пара от температуры. Кривая ОС показывает те взаимос-
вязанные значения температуры и давления, при которых
жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг
с другом, поэтому она называется кривой равновесия
жидкость—пар или кривой кипения.
Кривая ОВ отделяет область жидкости от области льда.
Она является кривой равновесия твердое состояние—жидкость
и называется кривой плавления. Эта кривая показывает те
взаимосвязанные пары значений температуры и давления, при
которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.
Кривая ОЛ называется кривой сублимации и показывает
взаимосвязанные пары значений давления и температуры, при
которых в равновесии находятся лед и водяной пар.
14
Глава 2. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ.
КОЛЛОИДЫ
В технологии счистки воды разного происхождения
понятие дисперсность характеризует степень раздробленности
частиц примесей, или их размер. Примеси воды с размерами
частиц < 10' см образуют с ней истинные растворы — систе-
мы гомогенные, однофазные. Природные и сточные веды в
большинстве случаев являются гетерогенными системами,
состоящими по меньшей мере из двух фаз.
5. ВИДЬ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ
Дисперсными называются системы, в которых одно ве-
щество в виде очень мелких частиц распределено в среде
другого вещества. Дисперсные системы гетерогенны. Сово-
купность мелких частиц составляет дисперсную фазу, а
вещество, в кагором они распределены, называется
дисперсионной средой.
Дисперсные системы имеют много разновидностей,
отличающихся агрегатным состоянием дисперсной фазы и
дисперсионной среды. Если обозначить Г — газ, Ж —
жидкость, Т — твердое агрегатное состояние, при этом
индекс 1 отнести к среде, а 2 — к фазе, то возможно
несколько комбинаций. Например, Г]—Ж2 — это аэрозоль,
более конкретно туман, когда в газообразной среде раст-
ворены капли воды; Г1—Т? — тоже аэрозоли (аэрозоль
пыль представляет собой газообразную систему с раство-
ренными в ней твердыми частичками, а аэрозоль дым —
ту же систему с конденсированными летучими вещест-
вами); Ж]—Г2 — это пена; Ж1—Ж2 — эмульсия; Ж1 —
Т2 с низкодисперсными частичками — суспензия, с тон-
кодиспергироваиными частичками — коллоидные растворы,
или золи.
Свойства любой такой системы существенно зависят
от размера частиц дисперсной фазы. Для количественной
оценки дисперсности введено понятие степень дисперсности
Д — величина, обратная поперечному размеру частицы.
Гетерогенные системы, в которых дисперсионной средой
является жидкость, по степени дисперсности частиц под-
разделяются на взвеси (суспензии и эмульсии) с см'1
и коллоидные растворы (1(1 см ).
15
Дисперсные системы подразделяют также на
лиофильные, частицы которых способны в большом количе-
стве связывать молекулы дисперсионной среды, и лиофоб-
ные, в которых взаимодействие частиц с дисперсионной
средой незначительно. Если дисперсионной средой в системе
является вода, пользуются соответственно терминами
гидрофильный и гидрофобный.
В гетерогенных дисперсных системах, например Ж1—
Т2, жидкость и твердое вещество дисперсной фазы имеют
поверхностную границу, где происходит их соприкосно-
вение. Поверхность соприкосновения называется межфазо-
вой. Состояние молекул в соприкасающихся слоях Ж| и
Тг отличается от состояния их внутренних слоев. На меж-
фазовой поверхности молекулы твердого вещества диспер-
сной фазы испытывают притяжение молекул жидкости
меньшее, чем со стороны молекул внутренних слоев Тг.
Возникающая при этом напряженность межмвлекуляр-
ных сил на границе раздела фаз определяет потенциальную
энергию межфазовой поверхности, называемую поверхно-
стной энергией.
6. КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ
По степени дисперсности частиц коллоидные растворы
располагаются между взвесями и истинными растворами.
По внутренней структуре коллоидных частиц рахдичают:
суспензоиды и ассоциативные или мицеллярные коллоиды.
Суспензоиды. К ним относятся такие коллоиды, кото-
рые сохраняют структуру исходною вещества, но имеют
при этом высокую степень дисперсности.
Представители суспензоидов — растворы оксидов и
гидроксидов металлов, сульфидов и других неорганических
солей — золи гидрофобные. Их концентрация обычно не
превышает 0.1%. Осадок таких растворов, остающийся
после выпаривания, при соприкосновении с водой не спо-
собен вновь образовать коллоидный раствор, поэтому’ сус-
пензоиды называют необратимыми коллоидами.
Вследствие малого размера частиц межфазовая повер-
хность очень велика и может достигать сотен квадратных
метров на 1 г дисперсной фазы. Соответственно и запас
свободной поверхностной энергии оказывается огромным,
поэтому коллоидные растворы — системы тер-
модинамически неустойчивые с выраженным стремлением
it
Рис. 4. Строение мицеллы
а - £>0, б — £-0 — изоэлектрическое состояние; А — ад-
сорбционный слой, Д — диффузионный слой,£- термодинамический
потенциал:^— электрон инетическнй потенциал
к уменьшению поверхностной энергии. Запас поверхност-
ной энергии может быть снижен в результате укрупнения
частиц дисперсной фазы либо при адсорбции на их повер-
хности ионов и молекул дисперсионной среды.
Сложная структура частицы суспензоида (рис. 4)
формируется вокруг ядра, состоящего из множества
молекул нс растворимого в дисперсионной среде веще-
ства. Ядро избирательно адсорбирует на своей поверх-
ности ионы, называемые потенциале-образующими, и
приобретает заряд. Присутствующие в среде ионы с
противоположным знаком заряда (противоионы)
вследствие электрического притяжения группируются
вокруг ядра, образуя коллоидную частицу. Часть
противоионов электростатическими силами прочно свя-
зана с ядром и образует вместе с адсорбированными
на ядре ионами адсорбционный слой. Ядро и ад-
сорбционный слой ионов составляют частицу, несущую
определенный заряд. Другая часть противоионов под
влиянием диффузионных сил слабее связана с ядром и
образует вокруг частицы ионную атмосферу —
диффузионный слой, компенсирующий заряд частицы.
17
Частица в совокупности с диффузионным слоем состав-
ляет мицеллу. Мицеллы электронейтральны.
Строение мицеллы золи гидроксида железа (Ш), когда
он адсорбирует ионы Fe1^ из раствора хлорного железа,
можно представить следующим образом.
ЧАС!
7/м [Fe (он}* ] п 3 ( л - Jtj Cl 3 к Cl
I V у . Ч-. - — —„у,-------—. _/
ндга Адмеьциом^ыя слои ви**г зионмый слои
МИЦЕЛЛА
Ассоциативные коллоиды. Ряд синтетических и природ-
ных веществ способен в зависимости от условий образо-
вывать истинные и коллоидные растворы. К числу таких
веществ относятся мыла, моюшие средства, некоторые
органические красители. Все они являются поверхностно-
активными веществами.
Истинная растворимость этих веществ в воде невелика,
но для них характерно образование ассоциатов молекул,
достигающих размеров частиц коллоидной степени диспер-
сности, если концентрация раствора превышает некоторую
критическую величину. Ассоциаты молекул, так же как в
суспензоидах, называют мицеллами, а концентрацию, при
которой начинается ассоциация молекул, называют
критической концентрацией мицеллообрамвания (ККМ).
Все сказанное поясняет, почему растворы этих зешсств
называют ассоциативными или мицеллярными коллоидами.
Молекулы веществ, способных образовывать кол-
лоидные растворы этого типа, обычно имеют к своем со-
ставе углеводородный радикал, сродство которого к воде
ничтожно, и полярные группы типа —СООН, —ОН и т.п.
с высоким сродством к воде. Ядро мицеллы образуют ас-
социированные углеводородные радикалы, а полярные груп-
пы обращены к растворителю и образуют внешний слой
ассоциата. Диффузный слой мицеллы в зависимости от
структуры вещества формируется из катионов или анионов
(противоионов) и компенсирует суммарный заряд мицеллы.
Поверхностно-активные вещества широко применяются
в быту и промышленности, поэтому часто оказываются в
сточных водах.
18
Высокомолекулярные соединения (ВМС). К ним отно-
сятся природные и синтетические полимеры с молекулярной
массой от десятков тысяч до нескольких миллионов. Это
белки, полисахариды, каучук, синтетические полимеры.
Размер молекул ВМС соответствует частицам коллоидной
степени дисперсности. Растворы этих веществ часто назы-
вают молекулярными коллоидами, однако на самом деле
ВМС образуют истинные растворы, т.е. однофазные систе-
мы. От коллоидных растворы ВМС отличает большая ус-
тойчивость, связанная с наличием в их молекулах боль-
шою количества лиофильных групп, более высокая кон-
центрация растворов, способность сухого вещества набухать
и переходить в растворенное состояние. Тем не менее рас-
творы ВМС имеют и некоторые свойства коллоидов.
7. СВОЙСТВА КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ
Молекулярно-кинетические свойства. Молекулярно-
кинетическими называются свойства, которые обусловлены
хаотическим тепловым движением частиц. Применительно
к коллоидным растворам к этим свойствам следует отнести
броуновское движение, диффузию и седиментацию.
Броуновское движение — беспорядочное, хаотичное
движение коллоидно- и микроскопически-дисперсных
частиц. Название дано по имени английского ученого
?. Броуна, открывшего это явление в 1827 г. Броуновское
движение дисперсных частиц происходит вследствие непре-
рывного колебательного движения молекул дисперсионной
среды. Интенсивность движения тем выше, чем больше
температура, меньше вязкость среды и выше степень
дисперсности.
Диффузия — самопроизвольный процесс перемещения
вещества в результате беспорядочного теплового движения
частиц, вследствие которого происходит выравнивание кон-
центрации раствора. Скорость диффузии зависит от формы
и размеров частиц, температуры и вязкости среды. Ско-
рость диффузии коллоидных частиц меньше скорости
диффузии частиц в истинных растворах.
Осмотическое давление коллоидных растворов
значительно ниже, чем в истинных растворах тий же кон-
центрации. Объясняется это тем, что коллоидные частицы
как по величине, так и по массе в огромное число раз
больше обычных молекул. Вследствие этого и количество
19
их в коллоидном растворе во столько же раз меньше, чем
в молекулярном растворе, з осмотическое давление кол-
лоидов пропорционально числу частиц в единице объема.
Седиментация — оседание (или всплывание) частиц в
дисперсионной среде под действием гравитационного поля.
Фактором, противодействующим седиментации, является
диффузия, стремящаяся выравнять концентрации по всему
объему. Действие гравитационных сил оказывается преоб-
ладающим лишь для более крупных частиц. Для мелких
частиц скорость диффузии достаточна, чтобы предотвратить
их оседание. Совокупное действие седиментации и
диффузии приводит к установлению с течением времени
седиментационного равновесия, характеризующегося посте-
пенным уменьшением концентрации от нижних к верхним
слоям раствора.
Электрические свойства. В коллоидном растворе
частицы находятся в постоянном движении, поэтому
диффузный (очень размытый) слой В несколько отстает
от частицы, и часть ионов этого слоя отрывается В резуль-
тате наблюдается декомпенсация зарядов, коллоидная
частица становится отрицательно заряженной, а окружа-
ющий ее раствор приобретает положительный заряд.
Возникающий при этом потенциал называется элект-
рокинепшческим потенциалом частицы (обозначается Х' -
потенциал, читается — дзета-потенциал). £ -потенциал
составляет часть термодинамического потенциала € ,
возникающего на границе твердое тело—раствор
(см. рис. 4) .^-потенциал является важной характеристикой
системы, величина его тем больше, чем больше толщина
диффузного слоя.
Диффузная часть двойного электрическою слоя не толь-
ко подвижна, но и изменчива. Если повышать концент-
рацию раствора, то происходит вытеснение противоионов
из диффузной в плотную часть двойною электрического
слоя. Толщина слоя и величина £ -потенциала снижаются.
Можно обеспечить такую концентрацию, когда вследствие
перемещения противоионов -потенциал станет равным
нулю. В этом состоянии системы изменение тер-
модинамического потенциала S от максимума до нуля
происходит в адсорбционном слое. Это состояние системы
называется изоэлектрическим и характеризуется изоэ-
лектрической точкой.
20
Отличительным свойством коллоидных систем является
их способность рассеивать свет. В темноте при пропускании
пучка света через коллоидную систему виден светлый конус
(эффект Тиндаля, описавшего это явление). Растворы ВМС
при боковом освещении дают размытый конус Тиндаля.
8. УСТОЙЧИВОСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ
КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРОВ
Для коллоидных систем введены понятия о кинетиче-
ской и агрегативной устойчивости.
Под кинетической устойчивостью понимают способ-
ность частиц коллоидного раствора находиться во взвешен-
ном состоянии даже при существенном различии в плот-
ностях дисперсионной среды и дисперсной фазы. Кинетиче-
ская устойчивость свойственна сильно разбавленным раст-
ворам и очень высокодиспсрсным золям.
Агрегативная устойчивость — способность системы
сохранять свою степень дисперсности. Устойчивость кол-
лоидных растворов связана с наличием одноименного заряда
у коллоидных частиц. Двигаясь, частицы сближаются, при
этом проявляются действие отталкивания одноименных
ядер частиц и действие притяжения за счет мсжмолску-
лярных сил. В зависимости от того, какие силы преобла-
дают, система либо устойчива, либо частицы дисперсной
фазы слипаются и укрупняются
Устойчивость коллоидных растворов можно повысить
введением стабилизаторов. В качестве стабилизаторов
используют высокомолекулярные соединения, такие, как
белки, поверхностно-активные вещества и т.д. Стабилиза-
торы адсорбируются в поверхностном слое частиц и как
бы придают золю свойства раствора использованного
стабилизатора
Под воздействием различных факторов коллоидные рас-
творы способны разрушаться. Разрушение может сопровож-
даться слипанием отдельных частиц с образованием круп-
ных агрегатов. Такой процесс разрушения коллоидного рас-
твора называется коагуляцией. Коагуляция нарушает агре-
гативную устойчивость коллоидного раствора, крупные
агрегаты частиц легк' седиментируют под действием
гравитационных сил.
Причиной коагуляции могут быть самые разнообразные
факторы: изменение температуры и концентрации кол-
21
лоидного раствора, его старение, механические воздействии,
введение в раствор золей с противоположным знаком за-
ряда, добавление электролитов. Наибольшее практическое
значение имеет последний фактор.
При введении в золь электролита (коагулянта) коа-
гулирующее действие оказывает ион, имеющий противо-
положный заряд: для отрицательно заряженных золей —
катион, для золей с положительным зарядом частицы —
анион. Наименьшая концентрация электролита, вызываю-
щая коагуляцию, называется порогом коагуляции. Чем вы-
ше заряд коагулирующего иона, тем ниже его пороговая
концентрация. Коагуляция золя происходит при
достижении в растворе критической величины § -
потенциала, т.е. еще до достижения системой изоэлектриче-
ского состояния.
При определенных условиях процесс коагуляции может
оказаться обратимым, и образовавшийся коагулят вновь
может перейти в золь. Этот процесс называет пептизацией.
Пептизация тем вероятнее, чем выше гидрофильность осаж-
денного золя, и легче происходит в свежеосажденной систе-
ме с рыхлой структурой осадка. Причиной пептизации мо-
жет быть введение в систему электролита с потенциало-
образующими ионами, которые, адсорбируясь на частицах
осадка, сообщают им заряд. В такой системе возрастает
t? -потенциал, одноименно заряженные частицы отталкива-
ются друг от друга и начинают переходить в раствор.
Вопросы для самоконтроля
1 . Чем объясняется дипольный характер молекулы воды и как он влияет
на ее свойства ?
2 Что означает термин "полярность молекулы"?
3 Перечислите аномалии физических свойств воды.
4 . Какое значение для жизни на Земле имеет максимальная но сравнению
с другими веществами теплоемкость воды?
5 . Какое значение для обитателей водоемов имеют аномалии плотности
воды?
6 Дайте определения системы, фазы, компонента
7 . В чем отличие гомогенных систем аг гетерогенных''
8 Что показывает диаграмма состояния системы?
Q По диаграмме состояния воды дайте характеристику системы в тройной
точке
10 Как выражается на диаграмме состояния воды одна из ее особенно-
стей — понижение температуры плавления льда с ростом давления?
11 Чем объясняется способно-ль воды растнорнть самые разнообразные
вещества’’
22
12. Как влияет температура на растворим петь в воде газов и солей?
13. Дайте определение понятию дисперсная система".
14 Что такое степень дисперсности ?
15. Как называются системы с размером частиц 10 5 — Ю* см?
16 Типичные коллоидные растворы — это однофазные, многофазные,
гомогенные, гетерогенные системы. Составьте правильный ответ
17. В чем отличия коллоидных растворив мт истинных9
18. Под агрегативной устойчивостью коллоидных систем понимают. За-
кончите ответ.
19, Что понимают под терминами "суспензоид", "мицеллярный раствор" ?
20- Поясните понятия "мицелла", "частица", "адсорбционный слой",
"диффузионный слой”.
21. Какие факторы способствуют устойчивости коллоидных растворов,
при каких условиях обеспечивается их коагуляция’
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ
Г л а в а 3. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ
О МИКРООРГАНИЗМАХ
Микробиология — это наука о микроорганизмах, отно-
сящихся к различным систематическим группам (бактерии,
простейшие, водоросли, грибы, вирусы). Общим признаком
перечисленных организмов является их микроскопический
размер на протяжении всей жизни. Мир микроорганизмов
очень разнообразен. Клетки одних микробов но своей
структуре напоминают животные клетки, у других сходны
с растительными, третьи могут сочетать признаки тех и
других клеток или существенно отличаться от них.
Микроорганизмы, большинство которых состоит из
одной клетки, отличаются от животных и растений про
стотой биологической организации. Это дало основание
Э. Геккелю объединить их в третье царство живой природы
и дать ему название "царство протистов". Основу строения
клеток всех протистов, как и клеток высших животных и
растений, составляют цитоплазма (или "живое вещество"
клетки) и ядро Однако развитие электронной микроскопии
позволило выявить принципиальное различие в строении
клеток протистов и разделить их на две четко различа-
ющиеся группы: высшие протисты — эукариоты и низшие
проститы — прокариоты, или доядерные организмы.
Важнейшими признаками, отличающими эукариотичес-
кую клетку от прокариотической, являются структурная
организация ядерного материала и способ ею деления. Клетки
эукариот имеют обособленное ядро, отделенное от цитоплазмы
мембраной. Наследственная информация заключена в хромо-
сомах, содержащих дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК)
и белки особого типа Деление ядра при размножении клеток
происходит в результате сложного процесса — митоза.
В клетках прокариот истинное ядро отсутствует, но есть
ядроподобиые образования — нуклеоиды (от лат. nukletis —
ядро). По сравнению с ядрами клеток высших организмов они
имеют более простое строение и не отделены от цитоплазмы
оболочкой. Наследственную информацию несет одна хромо-
сома. представляющая собой длинную молекулу ДНК.
24
К эукариотам относятся простейшие, водоросли (кроме
сине-зеленых) и грибы. Группу низших протистов — про-
кариот составляют бактерии и сине-зеленые водоросли, ко-
торые в настоящее время называют цианобактериями.
Вирусы как некл сточные формы жизни выделены в
отдельную группу.
9- МЕТОДЫ РАБОТЫ С МИКРООРГАНИЗМАМИ
Человеческий глаз способен различать объекты размером
^100 мкм. Большинство микроорганизмов в десятки и сотни
раз меньше этой величины, поэтому изучение их структуры
возможно только с помощью микроскопов. Разрешающая спо-
собность светового микроскопа, т.е. возможность различать
две рядом лежащие точки, составляет 0,2 мкм. Это позволяет
видеть не только большинство микроорганизмов, но и отдель-
ные структурные компоненты клетки, такие, как оболочка,
ядро, вакуоли. Однако увидеть вирусы и изучить улътраст-
руктуры клеток других микроорганизмов позволяет только
электронная микроскопия. Современные электронные микро-
скопы имеют разрешающую способность около 0,001 мкм.
Таким образом, микроскопирование микроорганизмов дает
возможность изучить строение их клеток.
Микроорганизмы чрезвычайно многообразны нс только по
организации клеток, но и по своим биохимическим признакам,
однако методы работы с ними достаточно однотипны.
Многие микроорганизмы независимо от их вида осу-
ществляют одни и те же биохимические процессы прев-
ращения определенных соединений. Такие микробы
объединяют в одну физиологическую группу.
Количественное определение микроорганизмов в
различных ,тбъектах (природной, питьевой, сточной воде,
почве, активном иле, биопленке) проводят для оценки
обшей обсемененности и санитарно-эпидемиологической
опасности, а также ь технологических целях при
биологической очистке сточных вод. Для понимания роли
микроорганизмов в биохимических процессах, происхо-
дящих в природе и на очистных сооружениях водопровода
и канализации, выделяют и изучают отдельные систе-
матические и физиологические группы.
Основными методами определения количества микро-
организмов являются' 1) метод прямого счета клеток под
микроскопом в препарате, подготовленном из
25
анализируемой пробы воды, почвы и т.д.; 2) метод посева
на плотные или жидкие питательные среды.
Различные модификации метода прямого счета позво-
ляют наиболее полно учесть численность микроорганизмов
в исследуемом образце. Однако методом прямого счета
определяются как живые, так и мертвые клетки микробов.
Методом посева на питательные среды учитываются толь-
ко жизнеспособные клетки. Существуют среды, состав которых
позволяет выращивать и определять на них многочисленные
виды микроорганизмов. Для выделения определенных
физиологических групп применяют специальные среды,
пригодные для развития микроорганизмов только одной
физиологической группы.
Сущность метода заключается в посеве строго изме-
ренного объема подготовленной пробы на поверхность плот-
ной питательной среды или в пробирку с жидкой средой,
инкубации посева в оптимальных для тех или иных
видов микроорганизмов условиях и подсчете количества
клеток во взятом объеме пробы.
При использовании твердых сред после посева и инкубации
подсчитывают число выросших колоний. Считается, что каж-
дая колония вырастает из одной клетки. Зная объем пробы, взя-
той для посева, рассчитывают число микроорганизмов в 1 мл
или в 1 г исследуемого материала.
Количественный учет микроорганизмов на жидких средах
проводится методом предельных разведений. Сущность метода
состоит в следующем. Готовят несколько последовательных
разведений из исследуемой пробы. Из каждого разведения де-
лают три параллельных посева в пробирки с жидкой средой. По
прошествии необходимого срока инкубации и каждой из засе-
янных пробирок отмечают наличие или отсутствие роста
мик робов. Расчет ведут по наибольшему разведению, в посевах
из которого обнаружен рост. Считается .что этот наименьший
объем воды содержал только одну способную к размножению и
в процессе инкубации размножившуюся особь. Точные подсче-
ты производят, пользуясь специальными таблицами.
10 РАСПРОСТРАНЕНИЕ микроорганизмов
В ПРИРОДЕ
Вследствие малых размеров, а также способности ус-
ваивать самые разнообразные вещества в качестве
источников питания и легко приспосабливаться к ус-
ловиям внешней среды микроорганизмы широко распрост-
26
ранены я природе и могут быть обнаружены там, где отсут-
ствуют другие формы жизни. Широкое распространение
микроорганизмов обусловлено также их способностью пере-
носить неблагоприятные условия в виде покоящихся форм,
быстро и интенсивно размножаться, переноситься на
значительные расстояния водными и воздушными те-
чениями с помощью птиц и насекомых.
Естественной средой обитания микроорганизмов явля-
ются почва, вода и организмы человека и животных. Воздух
не является благоприятной средой для развития микробе я,
поскольку не содержит капельно-жидкой воды, но, попадая
в воздух с поверхности земли или предметов вместе с
пылью, многие микроорганизмы могут временно сохранять
жизнеспособность.
Численность и видовой состав микроорганизмов, населя-
ющих почву, определяются наличием в ней влаги и пита- •
тельных веществ, реакцией среды, температурой, степенью
аэрации. Почва, кроме самого верхнего слоя, служит микро-
организмам зашитой от губительного действия прямых сол-
нечных лучей. Почва является местом обитания разнообраз-
ных видов бактерий, водорослей, грибов, простейших. Наибо-
лее богаты микроорганизмами хорошо обработанные почвы.
Число бактерий в 1 г почвы может составлять несколько
миллионов, водорослей — до 100 тыс., грибов — десятки
тысяч.
Микроорганизмы, населяющие почву, обладают колоссаль-
ной общей поверхностью. Так, в пахотном слое 1 га почв
поверхность микробных клеток составляет окаю 500 га. Имен-
но этим и объясняется чрезвычайно активное воздействие
микроорганизмов на почву. Большинство бактерий развивается
в верхнем слое почвы глубиной 15 —20 см. Веко росли
развиваются в слое до 10 см и иногда вызывают обильное
цветение почвы. Выделяя кислород в процессе жизнедеятель-
ности. они способствуют аэрации почвы. В условиях хорошей
аэрации верхнего слоя интенсивно развиваются микро-
скопические грибы. В почве широко представлены черви и
личинки насекомых, которые рыхлят почву, обеспечивая
проникание кислорода в более глубокие слои.
Микронаселение водных объектов, его численность и
видовое разнообразие определяются прежде всего степенью
загрязненности воды, т.с. наличием в ней органических
веществ. Гидробионты — обитатели водной среды —
относятся к различным систематическим группам. В
27
природных водоемах могут развиваться водоросли, бак-
терии, простейшие, грибы.
Наиболее богаты микроорганизмами сточные воды.
Число бактерий в 1 мл сточной воды может превышать
] млрд. Источником микроорганизмов бытовых сточных
вод являются физиологические выделения человека и его
хозяйственная деятельность. Некоторые виды производст-
венных сточных вол содержат специфические микроор-
ганизмы, используемые в технологическом процессе
производства лекарственных препаратов, спирта, молочно-
кислых продуктов я т.д. Ливневые сточные воды загряз-
нены микробами, вымываемыми из почвы.
Значительное число видов микроорганизмов обитает в
организме человека и животных. Большинство из них со-
ставляет нормальную микрофлору, постоянно обитающую
в теле биологического хозяина. Однако многие виды бак-
терий, простейших, 1рибов, попадая в организм человека,
могут вызвать различные заболевания, такие микроор-
ганизмы называются болезнетворными, или патогенными.
Г л а в а 4. МОРФОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ОТДЕЛЬНЫХ ГРУПП МИКРООРГАНИЗМОВ
Морфология — наука о форме, внутреннем строении
и размерах клеток микроорганизмов. Для водной и санитар-
ной микробиологии наибольшее значение имеют систе-
матические группы бактерий, простейших и водорослей.
Бактерии играют основную роль в процессах изъятия и
окисления органических и некоторых неорганических со-
единений при очистке сточных вод и самоочищении природ-
ных водоемов, поэтому рассматриваются более подробно.
11. ВЫСШИЕ ПРОТИСТЫ
Структура эукариотической клетки
Группа высших протистов представлена достаточно раз-
нородными организмами, клетки которых сходны либо с
животными, либо с растительными клетками. Цитоплазма
и ядро клетки в совокупности образую-’ протопласт, окру-
женный снаружи цитоплазматической мембраной, пропу-
28
скающей внутрь клетки только воду, очень небольшие мо-
лекулы некоторых веществ и ионы. Цитоплазма клетки
неоднородна. В ней обнаружены жизненно важные струк-
турные образования — органеллы, выполняющие
различные функции. Это — рибосомы, митохондрии, ком-
плекс Гольджи. Первые имеют вид мелких зернышек, ло-
кализованных во внутриклеточных мембранах, образующих
эндоплазматическую сеть. Рибосомы богаты рибонуклеино-
вой кислотой (РНК). В них осуществляется синтез белка.
Митохондрии имеют округлую, овальную или шьточ-
ковидную форму. РАзмср из колеблется от 0,2 до 7 мкм.
В митохондриях протекают окислительные процессы, соп-
ровождающиеся образованием энергии (дыхание). Комплекс
Гольджи представляет собой тельца серповидной или
палочковидной формы. Одним из продуктов комплекса
являются лизосомы — округлые включения диаметром
около 1 мкм, внутри которых сосредоточены ферменты,
способные расщеплять питательные вещества. Важнейшей
функцией комплекса Гольджи является накапливание про-
дуктов обмена перед выводим их из клетки.
Цитоплазма эукариотической клетки находится в пос-
тоянном движении Внутреннее пространство клетки
делится мембранами на более или менее изолированные
отсеки, в каждом из которых протекают определенные
биохимические процессы.
К числу характерных функциональных особенностей,
свойственных только эукариотам, относятся явления
пиноцитоза и фагоцитоза. Сущность этих явлений состоит
в переносе небольших капелек жидкости (линоцигоз) или
твердых частиц (фагоцитоз) в клетку в результате
втягивания участка цитоплазматической мембраны внутрь,
отрыва образовавшегося мешочка и превращения его в ва-
куоль, которая сливается с лизосомой’ при этом вещества,
попавшие в клетку, подвергаются гидролизу.
Простейшие
Организмы, относящиеся в Protozoa, очень мно-
гочисленны и, хотя тело их состоит из одной клетки, край-
не разнообразны по своему строению. Обшее число видов
простейших превышает 25 тыс. Размеры их колеблются в
широких пределах (от 2 мкм до 2 мм) и зависят от видовой
принадлежности и физиологического состояния.
29
Некоторые наиболее высокоорганизованные виды про-
стейших имеют ротовое отверстие и порошицу для удаления
твердых неусвоенных остатков пиши. Жидкие продукты
жизнедеятельное!и клетки удаляют я с помощью епк рагитель
ной вакуоли. Сократительная вакуоль представляет собой
периодически нарастающий пузырек жидкости, который,
достигая определенных размеров, подходит к оболочке клетки
и выбрасывает свое содержимое наружу. В окружающей среде
концентрация солей обычно меньше, чем внутри клетки. В
соответствии с законами осмотического давления вода
стремится проникнуть в клетку. Сократительная вакуоль, уда-
ляя избыток воды, действует как откачивающий аппарат и
поддерживает внутри клетки постоянное осмотическое дав-
ление. Из запасных веществ в клетках большинства про-
стейших откладывается гликоген, в некоторых — жир. Окра-
шенные простейшие накапливают крахмал.
Размножаются Protozoa простым делением клеток (бес-
полое размножение) или в результате сложного патового
процесса — конъюгации.
В неблагоприятных условиях многие простейшие прев-
ращаются в цисты. Такой процесс называет
инцистированием и заключается в уменьшении объема те-
ла, которое принимает округлую форму в покрывается
плотной оболочкой, в результате чего приобретает ус-
тойчивость к воздействию вредных факторов внешней сре-
ды. Цисты многих простейших способны переносить полное
высыхание в течение нескольких лет. При пересыхании
мелких водоемов и луж цисты остаются в иле, превраща-
ющемся в пыль. Ветер вместе с пылью переносит их на
большие расстояния, способствуя расселению Protozoa.
В основу классификации простейших положены главным
образом способы их передвижения. Из пяти типов простейших
в практике очистки природных и сточных вод наибольшее
значение имеют два: Sarcomastigophora и Ciliophora.
Тип Sarcomastigophora делится на два класса: Sarcodina
и Masiigophora.
Sarcodina. Представители этого класса простейших (рис.
5) во взрослом состоянии передвигаются с помощью особых
меняющих форму выростов тела, которые носят название
ложноножек или псевдоподий. У различных видов сакодо-
вых псевдоподии весьма разнообразны по числу и форме.
Некоторые из них имеют ложноножки широкие лона-
30
1
z
Рис. 5. Sarcodina
Голыеамебы: 1 — Amoeba radioza, 2 — Amoeba lima*; раковинные аме-
бы 3 — Pamphagub hyalinus. 4 — Arcella diskoides
сте видные, другие — напоминающие сплетение корней де-
рева, третьи — в виде прямых тонких лучей.
В пресных природных водах и на очистных сооружениях
канализации наиболее распространены подклассы Rhisopuda
(корненожки) и Hcliozoa (солнечники).
К корненожкам относятся одни из самых простых по
морфологическому строению организмов — голые амебы
(Amoebida). Низшие формы их лишены скелета и пред-
ставляют собой голый комочек цитоплазмы. В ней рахтича-
ют внутренний жидкий, зернистый слой (эндоплазма) и
более вязкий, плотный, тонкий ободок (эктоплазма). При
движении амеба выпускает ложноножки в определенном
направлении. Движение состоит как бы в медленном пере-
текании массы тела. Питание амебы происходит за счет
явления фагоцитоза. Вокруг пищевого комка образуется
пищеварительная вакуоль, внутри которой питательные
вещества переводятся в растворимое состояние и через стен-
ку вакуоли просачиваются в цитоплазму. Вакуоли с неус-
военными остатками выбрасываются наружу в любой точке
тела. Размножаются амебы простым делением клетки.
Раковинные амебы (Tcstacea) отличаются от голых амеб
наличием овальной или круглой раковины с отверстием (ус-
тьем) для псевдоподий. У одних амеб раковины построены из
хитиноподобных веществ, образующихся в теле амебы, у
других — из посторонних части, например мельчайших
песчинок, склеенных выделениями цитоплазмы. Поступает
пиша и выводятся непереваренные остатки через устье
раковины. Размножаются раковинные амебы делением клетки,
но этому предшествует образование внутри тела запасных
31
Рис. 6. Mastigophora
I — мелкие бесцветные жгутиковые (Bodo sp.); 2 — 1 repomonas steini,
3 — Oicomonas social is
вешеств, из которых затем строится раковина новой амебы.
При делении примерно патовина цитоплазмы с запасными
веществами выходит через устье раковины наружу и окру-
жается новой раковиной. Основным местом обитания
раковинпгых амеб являются пресные воды.
Пишей амебам служат главным образом бактерии,
другие простейшие и водоросли. Амебы способны захваты-
вать частицы, значительно превышающие размеры их телз.
Masiigophora (или Flagellata). Органами движения для
представителей этого класса служат жгутики — тонкие
нитевидные выросты цитоплазмы. Клетки имеют от одного
до восьми жгутиков.
Класс жгутиковых объединяет разнообразные по способам
питания простейшие организмы. Окрашенные формы жгутико-
вых имеют светочувствительные пигменты (например,
хлорофилл) и могут питаться как зеленые растения. Массовое
развитие окрашенных жгутиковых вызывает иногда "цветение"
мелких водоемов. Пищей Mastigophora других видов служат
растворенные органические вещества, поступающие в клетку
через всю ее поверхность. Наконец, среди жгутиковых есть
формы, имеющие роговое отверстие, расположенное у осно-
вания жгута. Жгутики для них служат не только органами
движения, но и способствуют захвату пищи. Такие жгутиковые
способны питаться бактериями, мелкими водорослями. Неко-
торые из окрашенных жгутиковых способны изменять способ
питания в зависимости от условий. На свету они питаются
как растения, а в темноте начинают интенсивно поглощать
органические вещества.
32
Рис. 7. Infusoria
Ресничные инфузории: 1 — Paramecium caudaturn, 2 — Stentor
coeiuleus, 3 — Oxy tricha pdlk>n«lia. 4 — Stylonichla pustulate; 3 —
Euplotes haron; 6 — Vorticella con valla ria, 7 — Opercularia glomerate;
сосущие инфузории: fi — Tokophrta lemnarum
При размножении клетки делятся в продольном направ-
лении.
На очистных сооружениях канализации чаще всего
встречаются мелкие бесцветные жгутиковые, некоторые
представители которых изображены на рис. 6.
Тип Ciliophora (инфузории) включает два класса:
Ciliata (ресничные инфузории) и Sucioria (сосущие инфу-
зории). К этому типу относятся наиболее высокоорганизо-
ванные представители простейших. Их характерная осо-
бенность — наличие в клетках двух ядер, различных по
своим размерам и функциям. Большому ядру приписыва-
ется основная роль в регуляции обменных процессов, в
частности синтеза белка. Малое ядро контролирует пере-
дачу наследственных признаков.
33
Ciliaia. Этот класс насчитывает более 300 видов. Орга-
нами движения цилиатам служат реснички — короткие
волосовидные выросты плазмы (рис. 7).
Ресничные инфузории весьма разнообразны по форме,
размерам, способам питания и образу жизни. Чаше всего
инфузории имеют продолговато-овальную форму, тело не-
которых (например, трубача) вытянуто в виде граммофон-
ной трубы, иные напоминают колокольчики. Одни инфу-
зории плавают в воде, другие прикрепляются к водным
растениям и другим предметам, третьи ползают. Пищей
большинству инфузорий служат бактерии и мелкие водо-
росли, но есть среди них организмы, питающиеся другими
простейшими, в том числе и инфузориями.
Тело инфузорий покрыто тонкой, эластичной, очень
прочной оболочкой — пелликулой. Благодаря
эластичности пелликулы многие инфузории способны
изгибать тело, сжиматься, принимать шаро<.|бразную форму.
Все инфузории, кроме некоторых паразитических форм,
имеют ротовое отверстие, расположенное на дне окслоротовой
впадины. Вокруг рта расположены реснички, обычно более
мощные и длинные, чем на других участках тела. С помощью
этих ресничек пищевые частицы подгоняются ко рту и прог-
латываются инфузорией. Далее пища поступает в короткий
канал (глотку), иногда выстланный ресничками. Пищевой ко-
мок у внутреннего края глотки обволакивается капелькой
жидкости, выделяемой лизосомой. Так образуется пище-
варительная вакуоль. По мерс поступления пищи образуются
новые вакуоли При обилии питания этот процесс повторяется
каждые 1 —2 мин. Отрываясь от глотки, пищеварительная ва-
куоль подхватывается током цитоплазмы и совершает в клетке
определенный путь, в течение которого происходит пере-
варивание и всасывание растворенных веществ в цитоплазму.
Длительность процесса пищеварения различна; у инфузории-
туфельки она составляет около 1 ч. Вакуоли с непереварен-
ными остатками пищи собираются около порошицы, сливаются
в одну вакуоль и выбрасываются наружу каждые 7—10 мин.
Жидкие продукты обмена удаляются с помощью сократитель-
ной вакуоли.
У ресничных инфузорий чередуется беспалое и половое
размножение. При этом клетка делится в поперечном на-
правлении. Половой процесс наступает периодически через
несколько поколений.
34
Класс ресничных инфузорий делится на несколько отря-
дов, характеризующихся различным строением ресничного
аппарата.
Отряд равноресничных инфузорий наиболее мно-
гочисленный, Тело этих инфузорий равномерно покрыто
ресничками. Типичными представителями, широко распро-
страненными в водоемах и на очистных сооружениях, явля-
ются инфузории рода Paramecium.
Отряд разноресничных инфузорий характеризуется
наличием спирально расположенного около ротового
отверстия пояса ресничек. К этому отряду относятся
одни из самых крупных инфузорийпрссных вод — тру-
бачи (Stentor).
Представители отряда брюхоресничных инфузорий кроме
окшюротоього пояса ресничек имеют на брюшной стороне осо-
бые плотные щетинки, представляющие собой пучки склеен-
ных ресничек. Благодаря им инфузории могут ползать по
субстрату (Siylonichia, Oxytricha, Euploies).
Подавляющее большинство представителей отряда круго-
ресничных инфузорий ведет сидячий образ жизни. Реснички
расположены только около ротового отверстия. Движением
ресничек создается водоворот в форме воронки, узкий конец
которой обращен к ротовому отверстию. Взвешенные частицы
осаждаются в нижней части воронки. Такой способ добывания
ниши нскит название седиментации и характерен для многнл
видов инфузорий-седиментаторов. С помощью длинных сте-
бельков инфузории прикрепляются к растениям, раковинам,
моллюскам, хлопочкам ила. Среди кругоресничных инфузорий
есть как одиночные (Vontcella convallaria), так и колониальные
формы (Qpertularia glomerata).
Suctoria. Сосущие инфузории имеют ряд особенно-
стей, которые ибусловливают существенное отличие от
их цилиат
Этот класс представлен сидячими формами, лишен-
ными во взрослом состоянии ресничек и не имеющими
рта. Питаются эти инфузории с помощью особых соса-
тельных щупалец — тонких трубочек с внутренним
каналом и отверстием на конце, которыми они ловят
добычу (главным образом ресничных инфузорий).
Пелликула пойманной инфузории растворяется, н эн-
доплазма по каналу щупалец перетекает внутрь сосущей
инфузории.
Основной способ размножения сукторий — почкование.
35
Видоросли
Клетки микроскопических водорослей подобно высшим
растениям содержат светочувствительные пигменты, ло-
кализованные в специальных органеллах, называемых хло-
ропластами. Благодаря этому водоросли способны осущест-
влять процесс фотосинтеза. Снаружи клетки водорослей
покрыты оболочкой. Жесткая оболочка выполняет
защитные функции и участвует в регуляции осмотического
давления в клетке. В центре клетки расположена вакуоль
с клеточным соком. Тело водорослей (или таллом) может
состоять из одной или множества клеток, образующих ко-
лонии или многоклеточные организмы.
В основу классификации водорослей положены
различия в составе светочувствительных пигментов, мор-
фологическое строение клетки, а также некоторые
биохимические особенности, такие, как характер запасных
веществ, состав клеточной оболочки и др. Из существу-
ющих типов мы рассмотрим два, имеющих наибольшее зна-
чение для пресных водоемов: зеленые и диатомовые водо-
росли (рис. 8).
Тип I. Зеленые водоросли (Chlorophyta) — самый
распространенный тип среди водорослей, объединяющий
крайне разнообразные по строению организмы. Среди зе-
леных водорослей есть одноклеточные, многоклеточные и
колониальные формы. У большинства видов этих водорос-
лей клетки имеют целлюлозную оболочку, вакуоль с кле-
точным соком, как правило, одно дифференцированное ядро
и хлоропласты, форма которых очень разнообразна:
пластинки, сеточки, звездочки, диски. Зеленые водоросли
содержат те же пигменты, что и высшие растения, т.е.
хлорофилл и каротин. Размножение половое и беспаюе с
образованием подвижных зооспор.
К Chlorophyta относятся протококковые водоросли,
обитающие в основном в пресных водоемах, где эни на-
селяют водный слой. Это неподвижные одноклеточные или
колониальные организмы. В колониях клетки удержива-
ются иногда общей слизью, иногда за счет срастания цел-
люлозных оболочек отдельных клеток. Простейшим пред-
ставителем протококковых является Chlorella vulgaris.
Вольвоксовые зеленые водоросли широко распростране-
ны в мелких стоячих водоемах, некоторые виды хорошо
развиваются в сильно загрязненных местах, например на
36
6
Нис. 8. Водоросли
Зеленые водоросли. / — Chlorella vulgaris, 2 — Chlamidomonas simplex,
3 — Volvox aureus, 4 — Uloihrix zonuta; диатомовые водоросли: 5 —
Melosira granulaU; 6 — Pinnularia vindis
полях фильтрации и на биофильтрах. Растут вольвоксовые
и в почве, и в проточных водоемах. К одноклеточным
вольвоксовым водорослям относится Chalamidomonas. Ко-
лонии вольвоксовых образуются из множества отдельных
клеток. Например, колония Volvox aureus имеет вид шара,
образованного из 200—300 клеток. Каждая клетка имеет
два жгутика, благодаря которым шар вольвокса движется
в воде.
К многоклеточным зеленым водорослям относя гея
улотриксовые. Это в основном нитчатые формы, ветвящиеся
и неветвяшиеся. Клетки нити иногда покрыты общим
слизистым чехлом. У молодых водорослей нити чаще всего
прикреплены к субстрату, позднее они свободно плавают,
образуя тину.
Тип II. Диатомовые водоросли (Diatomca) или
Bacdlariophyta представляют собой одноклеточные микро-
скопические организмы. Некоторые виды образуют колонии
в виде нитей, лент, кустиков. Клетки имеют размеры от
4 до 1500 мкм, а колонии иногда достигают нескольких
сантиметров.
, R клетках диатомовых водорослей обнаруживаются
оформленное ядро и хлоропласты. Последние кроме
31
хлорофилла содержат бурые пигменты, поэтому цвет во-
дорослей желтоватый или темно-бурый. Клетки имеют
пектиновую оболочку и панцирь, состоящий их кремнезема.
Панцирь является отличительной особеннмстью диатомовых
водорослей и, подобно коробке, состоит из двух створок,
вдвинутых одна в другую. Форма и строение панциря
весьма разнообразны у различных видов. При размножении
деление происходит в плоскости шва, образованного створ-
ками. Каждая из дочерних клеток получает только одну
створку, но немедленно после деления на свободной повер-
хности клетки образуется недостающая часть панциря.
Неблагоприятные условия (замерзание, высушивание)
диатомеи переносят в виде покоящейся стадии. Переход в
эту стадию не сопровождается образованием специальных
клеток, наблюдается лишь частичное или полное обез-
воживание цитоплазмы.
Грибы
Грибы составляют обширную группу организмов с со-
вершенно особой биологической организацией. Тело гриба
состоит из тонких нитей — гифов, образующих разветв-
ленную структуру, называемую мицелием. Гифы представ-
ляют собой жесткие трубочки, заполненные многоядерной
цитоплазмой. У одноклеточных грибов гифы нс имеют
перегородок, тогда как мицелий многоклеточных грибов
ссптирован (разделен на клетки). Некоторые грибы не име-
ют мицелиального строения.
У грибов нет светочувствительных пигментов, питаются
они, поглощая всей поверхностью тела разнообразные
органические вещества. Размножаются грибы спорами и
обрывками гиф.
Основным местом обитания грибов является почва, но
некоторые виды обитают и в водной среде. Среди грибов
есть много форм, паразитирующих на водорослях, про-
стейших, рыбах, в организмах человека и животных, на
высших растениях.
В пресных видах встречаются как специфические,
активно размножающиеся водные грибы, так и некоторые
виды почвенных грибов, приспособившихся к водной среде.
Большинство из них относится к группе примитивных
грибов — фикомицетов.
38
Рис. 9. Грибы
1 — Muconnucedo; 2 — водный фикомицет, 3 — дрожжи
Для почвенных фикомицетов (рис.9, /) характерно обра-
зование воздушных гифов — спорангиеносцев,
расширяющихся на конце и переходящих в округлый спо-
рангий, внутри которого развивается большое количество спор.
Один из водных фикомицетов показан на рис. 9, 2.
Тело триба представляет собой мешочек — спорангий
диаметром около 100 мкм, прикрепленный к субстрату с
помощью тонких ветвящихся нитей. В спорангии образу-
ются клетки размножения — споры При созревании спор
спорангий разрывается и споры выходят наружу. Прора-
стая, спора превращается в растущий гриб.
В сточных водах могут обнаруживаться и другие виды
грибов, используемых в быту и промышленности. К ним отно-
сятся дрожжи, трибы родов аспергиллус и пенициллиум и др.
Дрожжи не образуют мицелия, их клетки имеют круглую
или яйцевидную форму размером 10—15 мкм (рис.9, J).
Применение дрожжей в промышленности связано с их спо-
собностью превращать сахар в этиловый спирт и углекислоту.
Дрожжи применяются в хлебопечении, пивоварении, вино-
делии, спиртовой промышленности. Соответственно и сточные
воды этих производств содержат клетки дрожжей.
Многоклеточные животные организмы
Природные и сточные воды служат местом временного
или постоянного обитания целого ряда высокоорганизован-
ных организмов.
Коловратки (Rotatoria) — микроскопические многокле-
точные животные. У большинства коловраток довольно
39
Рис. 10. Некоторые организмы природных и сточных вид
Коловратки 1 — Philodinaroseola, 2 — Cailidma vorax, 3 — Cathypna
luna; черви. 4 — Nematoda; 5 — Tubifex tubifex; низшие ракообразные;
6 — дафния, 7 — циклоп; личинки насекомых: 8 —Chironomus
plumobus; 9 — Psychoda; 10 — Pod ига
четко можно выделить головной отдел, туловище и ногу.
Нога заканчивается пальце- и кинжалообразными отрост-
ками, с помощью которых коловратки могут прикрепляться
к субстрату. Головной отдел Rotatoria снабжен коловраща-
тельным аппаратом, состоящим из разнообразно располо-
женных ресничек различной длины. Реснички находятся в
постоянном движении, за счет чего животное движется,
и к ротовому отверстию подгоняется пища (бактерии, про-
стейшие, органический детрит). Пища через рог попадает
в глотку и затем в пищеварительный аппарат, состоящий
из желудочка, кишки и выделительных органов. Туловище
коловраток покрыто панцирем.
Коловратки широко распространены в природных водах,
некоторые виды обитают в почве. На очистных соору-
жениях канализации часто встречаются Philodina roseola,
Callidina vorax, Cathypna luna (рис. 10).
40
Черви (Vermes). Из червей, обитающих в природных
водоемах и развивающихся на очистных сооружениях ка-
нализации, наибольшее значение имеют малощетинковые
черви — олигохета и круглые — нематоды (см. рис. 10).
К числу самых распространенных олигохет относятся:
Limndrilus и Aeloscma длиной 0,2—10 мм. Более крупные
Tubifex (1—4 см) и Nais (0,5—2 см) очень непритязатель-
ны в выборе места обитания, хорошо развиваются в водо-
емах с грязной водой. Живут олигохеты, зарывшись в ил.
Пища их состоит преимущественно их органического
детрита. Заглатывая иловые частички, черви частично
минерализуют их.
Круглые черви тоже илосды, живут в водоемах и
развиваются на очистных сооружениях и в биофильтрах.
Среди червей много форм, ведущих паразитический образ
жизни на одной или нескольких стадиях своего развития.
К ним относятся гельминты, паразитирующие в организме
человека. Яйца гельминтов, таких, как аскариды, власог-
лавы, острицы, с физиологическими выделениями людей
попадают во внешнюю среду, где развиваются до
инвазионной стадии (стадии, на которой они могут вызвать
заражение). При этом они длительное время сохраняют
жизнеспособность даже в неблагоприятных условиях бла-
годаря наличию в скорлупе яиц внутренней полупроница-
емой липоидной оболочки. Поэтому вода открытых водо-
емов и почва могут быть источниками заражения человека
паразитирующими червями.
Низшие ракообразные. Среди обитателей пресный во-
доемов к этой группе относятся веслоногие и ветвистоусыс
рачки. Веслоногие рачки, из которых наиболее распрост-
ранены циклопы и диаптомусы, плавают с помощью не-
скольких пар грудных ног. Органами движения ветвистоу-
сых рачков (дафний) служат антенны, оперенные плава-
тельными щетинками (см. рис. 10, б, 7).
Низшие ракообразные питаются, процеживая воду че-
рез специальные органы. Отфильтрованная взвесь сжима-
ется в комочки и поступает в рот. По способу добычи
пищи рачков относят к активных филыраторам. Пищей
им служат бактерии. микроскопические водоросли,
органические взвешенные вещества. Сами рачки служат
пищей рыбам.
Личинки насекомых. У многих насекомых (комаров,
мошек, стрекоз и др.) некоторые стадии развития проте-
41
кают в водной среде. Вследствие этого личинки и куколки
насекомых составляют значительную часть населения
больших и малых водоемов. В определенные периоды они
развиваются и на очистных сооружениях, в частности в
биофильтрах (см. рис. 10, 8).
Личинки насекомых населяют илистое дно водоемов,
обитают в водной среде, роют ходы в берегах рек. Развиваясь
в больших количества/, они служат пищей рыбам и играют
важную роль в минерализации органических веществ.
К числу самых распространенных донных организмов
пресных вод относятся личинки Chironomida. Они обитают
в лужах, болотах, больших реках и озерах. Большинство
из них питается детритом, но есть и хищные виды, на-
падающие на тубифицид, низших рачков и более мелких
личинок.
Личинки Chirononuda, личинки и куколки мушки
Psychoda и насекомые Podura в большом количестве
развиваются в биофильтрах.
12. НИЗШИЕ ПРОТИСТЫ И УЛЬТРАМИКРОБЫ
Структура прокариотической клетки
Строение клеток низших протистов значительно более
простое, чем у высших. При этом различное строение ядер-
ного аппарата не является единственным признаком,
отличающим эукариотическую клетку от прокариотической.
Одним из основных структурных компонентов клетки
прокариотов является клеточная оболочка В состав кле-
точной оболочки бактерий ^рис.И, а) входят сложные мо-
лекулярные комплексы, состоящие из белков, полиса-
харидов и жироподобных веществ. Будучи жесткой, она
служит как бы скелетом клетки, придавая ей определенную
форму. Клетки цианобактерий (рис. 11, б) покрыты
эластичной пектиновой оболочкой. Клеточная оболочка
прокариот образует своеобразный барьер на пути прохож-
дения растворенных веществ из окружающей среды внутрь
клетки.
У некоторых видов бактерий на поверхности клетки
находится слой слизи, образующий как бы футляр — кап-
сулу. Слизь, выделяемая бактериями, может частично
42
Рис. 11. Схема строения прокариотической клетки
а — клетка бактерий; б — клетка цианобактерий; / — слизистая капсула;
2 — тилакоиды; 3 — клеточная стенка; 4 — цитоплазматическая мембра-
на; 5 — мезосома; 6— цитоплазма. 7 — рибосомы; 8 — полисахаридные
гранулы; 9 — нуклеоид. 10 — кключения серы; 1/ — жировые капли;
12 — гранулы полифоофатов; 13 — жгутики; 14 — газовые вакуоли; 15 —
вакуоль; 16 — гранула поли- у? -оксимаслянон кислоты; 17 —
цианофициновая гранула
диффундировать в окружающую среду. Выделение слизи у
отдельных видов бактерий бывает настолько сильным, что
капсулы отдельных клеток сливаются, образуя зооглеи —
скопление слизистой массы с вкрапленными в нес клет-
ками. Образование слизи характерно и для многих видов
цианобактерий.
К числу поверхностных структур клеток многих бак-
терий относятся жгутики — органы движения, представ-
ляющие собой длинные очень тонкие нити, спиральные,
волнистые или изогнутые. Длина жгутиков может во много
раз превышать длину тела бактерии. Количество и рас-
положение жгутиков являются характерным видовым
признаком. Некоторые виды бактерий имеют один жгутик,
у других жгутики располагаются пучками на одном или
43
обоих концах клетки, у третьих покрывают всю поверх-
ность клетки.
К оболочке вплотную прилегает цитоплазматическая
мембрана. Она обладает избирательной проницаемостью,
т.е. пропускает внутрь клетки и отводит из нее опреде-
ленные вещества. Благодаря такой способности мембрана
играет роль органеллы, концентрирующей питательные ве-
щества внутри клетки и способствующей выделению на-
ружу продуктов жизнедеятельности. Внутри клетки всегда
наблюдается повышенное по сравнению с окружающей
средой осмотической давление. Цитоплазматическая мемб-
рана обеспечивает его постоянство. Кроме того, она явля-
ется местом локализации ряда ферментных систем, в ча-
стности окислительно-восстановительных ферментов, свя-
занных с получением энергии (у эукариот они находятся
в митохондриях). В отличие от клеток эукариот в про-
кариотической клетке отсутствует деление ее на отсеки.
Клетки прокариот не имеют ни комплекса Гольджи, ни
митохондрий, не наблюдается у них и направленного
движения цитоплазмы. Явления пиноцитоза и фагоцитоза
прокариотам не свойственны. Из органелл только рибосомы
аналогичны рибосомам эукариот.
Во многих бактериальных клетках обнаружены особые
мембранные структуры — мезосомы, образовавшиеся в
результате впячиваяия цитоплазматической мембраны внутрь
клетки. Роль их до сих пор окончательно не выяснена. Су-
ществуют предположения об участии мезосом в важнейших
внутриклеточных процессах деления клетки, синтеза веществ
клеточной оболочки, энергетическом обмене.
Аналогичным путем в клетках окрашенных бактерий
и цианобактерий образуются тилакоиды — мембранные
структуры упрощеной формы, в которых локализуются све-
точувствительные пигменты.
В цитоплазме прокариот часто обнаруживаются твер-
дые, жидкие или газообразные включения. Одни из их
имеют приспособительные назначения: например, газовые,
вакуоли цианобактерий, позволяющие им регулировать
плавучесть в вертикальной плоскости. Другие включения
играют роль запасных веществ и откладываются клеткой
в условиях обильного питания. В качестве запасных ве-
ществ в клетках могут откладываться полисахариды (глико-
ген, крахмал, гранулеза), липиды (в виде гранул и капелек
жира), полифосфаты (такие, как волютин), вещества бел-
44
ков о го характера (цианофициновые гранулы у цианобак-
терий). У многих серных бактерий в клетках откладывается
молекулярная сера.
Бактерии
Бактерии составляют обширную группу микроор-
ганизмов, широко распространенную в природе и играющую
важную роль в практической деятельности человека, ь
частности в процессах очистки сточных вод. До сих пор
нс существует единой классификации бактерий, поскольку
систематика их очень сложна. Наиболее распространенным
и авторитетным является "Руководство Берги по опреде-
лению бактерий". При его составлении авторы преследовали
цель быстрой идентификации бактерий по совокупности
морфологических и культуральных признаков с учетом не-
которых физиологических особенностей. Бактерии разделе-
ны на 19 групп, названия которых включают легко опре-
деляемые признаки. Например, группа 3 имеет название
"Бактерии, образующие слизистую оболочку", группа 5
"Спирохеты", группа 17 "Акциномицеты и родственные им
организмы' и т.д.
Наименование бактерий складывается из двух слов:
первое обозначает род и пишется с прописной буквы, вто-
рое — вид, к которому принадлежит бактерия, и пишется
со строчной буквы. Например, Bacillus sublilis (сенная
палочка).
Различают три основные формы бактериальных клеток:
шаровидную, палочковидную и извитую.
Шаровидные бактерии называются кокками (от греч.
coccus — ягода). В зависимости от расположения клеток
после деления бактерий различают: 1) моно- или микро-
кокки — располагаются одиночно; 2) диплококки — рас-
полагаются попарно, так как деление клетки происходит
в одной плоскости; 3) стрептококки — делятся в одной
плоскости, но особи не отделяются друг от друга и образуют
длинные цепочки; 4) тетракокки— образуют группы из
четырех клеток, что обусловлено делением клетки в двух
взаимно перпендикулярных плоскостях; 5) сардины —
образуют скопления кубической формы в результате де-
ления клетки в трех различных плоскостях; 6) стафило-
кокки — делятся неправильно в нескольких плоскостях,
их скопления напоминают кисть винограда (рис. 12).
45
Рис. 12, Морфологические типы бактерий
I — микрококки; 2 — диплококки. 3 — стрептококки. 4 — тетракокки;
J — евроиены, й — стафилококки, 7 — палочки, 8 — вибрионы; 9 —
спириллы, 1Q — спирохеты
Диаметр шаровидных бактерий не превышает 1—2 мкм.
Клетки неподвижны.
Палочковидные бактерии, как и кокки, могут быть
одиночными, соединяться попарно или в длинную цепочку
по три и более клетки. Средняя длина палочковидных бак-
терий составляет 2—7 мкм при диаметре 0,5—1 мкм.
Среди палочковидны* бактерий есть подвижные я не-
подвижные формы. Орган движения — жгутик.
Извитые формы бактерий в зависимости от степени изог-
нутости делятся на вибрионы, имеющие вид запятой, спириллы
с одним или несколькими завитками и спирохеты. Длина
клетки вибрионов не превышает 1—3 мкм. Длина тела
спирилл колеблется от 5 до 30 мкм при толщине 0,25—1 мкм.
Вибрионы и спириллы двигаются с помоишю жгутиков,
В отличие от спирилл клеточная оболочка спирохет
эластична, благодаря чему они способны двигаться, винто-
образно изгибая тело. Характерной особенностью спирохет
является крайне малый диаметр клетки (0,1—0,6 мкм) при
относительно большой (5—500 мкм) длине тела.
Некоторые вилы бактерий, главным образом палоч-
ковидные, способны на определенной стадии развития обра-
зовывать споры, по своим функциям аналогичные цистам
простейших. Спорообразование связано обычно с небла-
гоприятными условиями среды; понижением содержания
влаги, отсутствием питательных веществ и т.д,
В клетке всегда образуется только одна спора. Процесс
спорообразования начинается с уплотнения цитоплазмы в
46
ядерной зоне и обособления ее вместе в ДНК перегородкой,
образующейся из цитоплазматической мембраны. Затем на
отсеченном участке цитоплазмы формируется двухслойная
мембрана и оболочка споры, выполняющая защитные
функции, так как она мало проницаема для воды и рас-
творенных веществ и обеспечивает большую устойчивость
спор к внешним воздействиям. Споры многих болезнетвор-
ных бактерий сохраняют жизнеспособность в почве в те-
чение нескольких лет. Споры способны выдерживать
действие высоких температур (например, спора сенной
палочки не теряет жизнеспособности даже после З-ч
кипячения).
У некоторых видов диаметр споры превышает ширину
клетки, что придает ей форму веретена или барабанной
палочки в зависимости от места расположения споры. Ве-
ретенообразные спороносные бактерии называются
клостридиями (от англ, closter — веретено). Другие спо-
роносные бактерии называются бациллами.
Попадая в благоприятные условия, спора прорастает.
Процесс превращения споры в растущую (вегетативную)
клетку начинается с поглощения ею воды и набухания
споры. Внутри споры происходят химические изменения,
затем споровая оболочка разрывается и образуется веге-
тативная клетка.
Несколько особняком стоят нитчатые бактерии, пред-
ставляющие собой длинные нити из соединенных вместе
палочковидных клеток, покрытых общим чехлом, В отличие
от описанных выше форм бактерий нитчатые являются мно-
гоклеточными организмами. В пределах нити, как и у
остальных бактерий, клетки размножаются.
Кроме того, нитчатые формы имеют специальные
клетки размножения — гонидии, образующиеся из конце-
вых клеток нити. У некоторых форм гонидии передвигаются
с помощью жгутиков, у других они неподвижны. Нитчатые
бактерии — типичные водные организмы. Нити их имеют
толщину в среднем 1—7 мкм. Длина этих бактерий
достигает таких размеров, что они видны даже невоору-
женным глазом.
Клетки актиномицетов, или лучистых грибков, обла-
дают способностью ветвиться, У некоторы» видов переп-
летение нитей образует мицелий, подобный мицелию гриба.
Эти актиномицеты, как и грибы, размножаются спорами.
Клетки их обладают признаками и бактерий, и грибов,
47
но в отличие от последних не имеют структур, свойствен-
ных эукариотам. Клетки других видов (микобактерии)
похожи на искривленные палочки с боковыми выростами.
Размножаются делением и перешнуровыванием.
Актиномипеты обитают в воде, почве, на растительных и
животных остатках. Многие актиномицеты, развиваясь в
воде, придают ей специфический землистый запах.
Цианобакт ерии
Группа цианобактерий проставлена одноклеточными,
колониальными и нитчатыми формами. Отличительной
особенность^ цианобактерий является своеобразная сине-
зеленая окраска, обусловленная присутствием в их клет-
ках четырех светочувствительных пигментов: зеленого,
синего, красного и желтого. В зависимости от количе-
ственного соотношения пигментов меняется и окраска
клеток. Колониальные формы цианобактерий образуются
в результате слияния слизи отдельных клеток. Как
правило, колонии не имеют определенной формы. У
нитчатых форм клетки в пределах одной нити могут
быть одинаковыми или разными по величине и форме.
Сверху клетки нити покрыты общим слизистым чехлом.
У некоторых видов нити способны ветвиться. Часто
наблюдается образование гетероцист, расположенных в
нити через определенное число клеток. Гетероцисты
образуются из вегетативных клеток, но по размеру
значительно превосходят их. Они имеют плотную обо-
лочку, но через поры сообщаются с соседними клетками.
Предполагают, что гетероцисты — специализированные
клетки, осуществляющие фиксацию азота.
Многие виды цианобактерий способны образовывать
споры. У одних видов споры, как у истинных бактерий
являются формой, наиболее устойчивой к неблагоприятным
условиям. В этом случае из одной клетки образуется только
одна спира, У других цианобактерий споры, как у грибов,
служат способом размножения. В это случае внутри ма-
теринской клетки формируется множество мелких спор,
освобождающихся при разрыве оболочки.
Распространены цианобактерии буквально повсеместно.
Их находят в больших и малых соленых и пресных водо-
емах, в почве, на скалах, в пустыне и в Арктике. Такое
широкое распространение цианобактерий связано прежде
48
всего с их чрезвычайной устойчивостью к действию не-
благоприятных условий и удивительной нетребовательно-
стью к питательным веществам.
Ультрамикробы
В группу ультрамикробов входят вирусы и бак-
териофаги .
Вирусы (от лат. virus — яд) отличаются от других микро-
организмов отсутствием клеточной структуры. Они не имеют
ни ядра, ни оболочки, ни цитоплазмы. Размеры вирусов ко-
леблются от десятых до тысячных долей микрометра. В состав
большинства вирусов входят белок и одна из нуклеиновых
кислот. Вирусы поражают растения, животных и человека.
Они способны размножаться только внутри живых клеток,
легко переносят высушивание и низкие температуры, но
чувствительны к действию ультрафиолетовых лучей.
Вирусы, поражающие бактерии, называются бактериофа-
гами (буквально — пожиратели бактерий) итщ просто фагами.
Они имеют округлую или многогранную головку и отросток
в виде белковой трубочки. Головка окружена белковым чехлом
и содержит ДНК или РНК. Прикрепляясь к клеточной стенке,
бактериофаг как бы просверливает ее, и ДНК фага через
отросток поступает в клетку. Фаговая ДН К так перестраивает
механизм обменных процессов бактерии, что в ней начинают
синтезироваться частицы фага. Через определенное время все
содержимое клетки превращается в зрелые фаговые частицы,
оболочка бактерии растворяется и фаги выходят наружу.
Г л а в а 5. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Физиология — наука о процессах, протекающих в
живом организме, и их взаимосвязи с условиями окружа-
ющей среды.
При всем многообразии микроорганизмов их клетки,
как и клетки высших животных и растений, состоят их
одних и тех же химических соединений. Важнейшими из
них являются вода, белки, жиры, углеводы.
Функции, которые выполняют в клетке вода и
перечисленные классы органических веществ, также
49
идентичны для всех организмов. Вода является
дисперсионной средой для коллоидов цитоплазмы и раст-
ворителем для ряда органических и неорганических со-
единений. Она служит не только средой для разнообразных
биохимических процессов, но и сама принимает участие в
таких реакциях, как гидролиз, окисление и тл. Обладая
низкой вязкостью и способностью растворять различные
вещества, вода выполняет транспортные функции: обес-
печивает поступление питательных веществ внутрь клетки
и вывод продуктов жизнедеятельности из нее. Часть воды
в клетке связана с коллоидами цитоплазмы и входит в
состав рибосом, митохондрий и других органелл.
Белки являются главной составной частью всех
внутриклеточных структур, основой жизни клегок. Универ-
сальная функция нуклеиновых кислот — хранение и пере-
дача наследственных признаков. Жиры и углеводы в свя-
занном состоянии входят в состав структурных компонентов
клетки, в свободном состоянии они играют рать запасных
веществ и являются источниками энергии.
В простейшей бактериальной клетке содержатся около
40 млн. различных органических молекул, огромное число
молекул воды, минеральные соли. В клетке одновременно
протекает множество разнообразных реакций, идущих с вы-
сокой скоростью и в строгой последовательности. Согласо-
ванность и быстрота всех химических реакций в клетке
объясняются наличием в ней особых соединений — ка-
тализаторов, называемых ферментами.
13. ФЕРМЕНТЫ
Структура и свойства ферментов
Ферментами (или энзимами) называются сложные белко-
вые соединения, выполняющие роль катализаторов в
биохимических реакциях. Ферменты синтезируются самой
клеткой. Все ферменты по своей химической природе относятся
к белковым соединениям и имеют молекулярную массу,
достигающую сотен тысяч и миллионов. На поверхности из
гигантских молекул и протекают каталитические реакции.
По строению молекулы-ферменты подразделяются на
одно- и двухкомпонентные. Первые представляют собой
простые белки—протеины. На отдельных участках моле-
кулы ферментов-протеинов в результате определенного про-
50
странственного расположения остатков аминокислот созда-
ются так называемые активные центры, в которых проте-
кают каталитические реакции. Активные центры реагируют
только с тем субстратом, пространственная конфигурация
которого совпадает со структурой центра.
Большинство ферментов является сложными бел-
ками — протеидами. Их молекула состоит из двух частей;
1) белковая часть — называется носителем или апофер-
ментом; 2) небелковый компонент, обладающий ка-
талитической активностью, — называется коферментом,
или простетической группой. Активность этой группы,
отделенной от апофермента, невелика. Белковый носитель
увеличивает активность кофермента и определяет
специфичность его действия. Роль коферментов часто вы-
полняют витамины или соединения, содержащие их.
Как и неорганические катализаторы, ферменты ускоряют
только те реакции, которые протекают самопроизвольно, но
с очень малыми скоростями. В то же время ферментативный
катализ значительно отличается от неферментативного. Одной
из основных особенностей ферментов по сравнению с неор-
ганическими катализаторами является их способность дейст-
вовать в 'мягких' условиях, т.е. при достаточно низких тем-
пературах, нормальном давлении и реакции среды, близкой
к нейтральной. Каталитическая активность ферментов при
этом чрезвычайно высока. Например, ионы железа ка-
талитически ускоряют реакцию разложения перекиси водо-
рода, а атомы того же железа в составе фермента каталазы
проводят ту же реакцию в 10 млрд раз быстрее. Вторая осо-
бенность ферментов заключается в строгой специфичности их
действия и проявляется в способности ферментов реагировать
лишь с определенным химическим соединением, классом со-
единений или действовать на определенную химическую связь.
Процесс превращения веществ в клетке представляет
собой серию последовательных биохимических реакций,
каждую из которых катализирует соответствующий фер-
мент. При этом продукт одной реакции служит субстратом
для следующей. Такая кооперативность и строгая после-
довательность в действии ферментов являются их самым
существенным отличием от катализаторов иной природы.
По месту действия ферменты подразделяются на
внутриклеточные (эндоферменты) и на ферменты, которые
клетка может выделять во внешнюю среду (экзоферменты).
К последним относятся главным образом гидролитические фер-
51
менты, катализирующие расщепление сложных субстритов до
более простых веществ, способных проникать в клетку.
Клетки каждого вида микробов имеют совершенно опре-
деленный набор ферментов, характерный для данного вида
В некоторых случаях в клетке под воздействием каких-либо
факторов, например изменения состава питания,
синтезируются ферменты, не свойственные данной клетке
в обычных условиях. Появление таких ферментов связано
со стремлением организма приспособиться (адаптировать-
ся) к изменившимся условиям, поэтому и ферменты эти
носят название адаптивных.
Классификация ферментов
В период открытия первых ферментов названия им да-
вались по случайным признакам. Например, пепсин, обна-
руженный в желудочном соке, получил свое название от
греческого слова пепсис — пищеварение. Позднее Дюкло
предложил ввести рациональную номенклатуру, где фер-
ментам давалось название по названию субстрата, на ко-
торый он действует, с прибавлением суффикса "аза". Так,
фермент, разлагающий сахарозу, назывался сахараза. Эта
номенклатура получила наибольшее распространение.
В 1961 г. V Международный биохимический конгресс
принял новую номенклатуру, построенную на строю научных
принципах Согласно этой номенклатуре, все ферменты де-
лятся на шесть классов по типу катализируемой реакции.
1. Оксиредуктазы ускоряют окислительно-восста-
новительные реакции, осуществляя перенос электронов или
атомов водорода (е‘ + Н ) от окисляемого субстрата (донора
водорода) к акцептору, который при этом восстанавлива-
ется. Биохимическое окисление органических соединений
происходит путем их дегидрирования. Процесс этот ка-
тализирует оксиредуктазы, носящие название дегидрогеназ.
Первичные дегидрогеназы в качестве кофермента чаше все-
го имеют никотинамид-аденицдинуклеотид (НАД). В соче-
тании с рахтичными белковыми носителями НАД образует
множество ферментов, действующих на определенные ве-
щества. В общем виде реакцию дегидрирования можно
записать так:
(органическоевещество — донор 2Н) + НАД —- (окисленное органиче-
ское нещество) + НАД Нг-
52
Рис 13. Схема передачи хюктронов по цитохромной
системе
Первичные дегидрогеназы называют анаэробными, так
как они не могут передавать водород непосредственно
кислороду. Регенерация их происходит в результате пере-
дачи атома водорода молекуле другого органического со-
единения или вторичной дегидрогеназе. Коферментом
вторичных дегидрогеназ является флавин-аденин-динукле-
отид (ФАД):
НАД Н2 + ФАД---------- ФАД Н2 + НАД.
Вторичные дегидрогеназы могут передавать вбдород не-
посредственно кислороду, поэтому называются аэробными
дегид роге наза ми:
ФАД Н2 + 1/2 02 ------Н20 + ФАД.
Однако в большинстве случаев регенерация ФАД
происходит в результате взаимодействия с ферментами
цитохромной системы, состоящей из нескольких фермен-
тов — цитохромов, в состав простетической группы кото-
рых входят атомы железа. Цитохромная система не
принимает атомов водорода с ФАД Нг, но способна
принимать электроны, снятые с атомов водорода. Электрон
передается по цепи цитохромов за счет изменения вален-
тности атомов железа. Последний фермент в цитохромной
системе носит название циюхромоксидазы. Только он спо-
собен передавать электрон его конечному акцептору—
кислороду. Одновременно через раствор передается кисло-
роду протон (рис. 13).
Оксиредуктазы катализируют биохимические процессы,
сопровождающиеся выделением энергии.
2. Гидролазы катализируют реакции гидролитического
раздржения сложных органических соединений. В общем
виде реакция гидролиза вещества А1А2 записывается сле-
дующим образом:
53
AiAi + НОН AiOH + AzH,
В зависимости от химической природы гидролизируемо-
го субстрата гидролазы подразделяются на несколько групп:
эстеразы ускоряют гидролитическое расщепление сложных
эфиров (к этой группе относятся липазы, участвующие в
гидролизе жиров); глюкозидазы катализируют гидролиз
сложных углеводов; пептидазы ускоряют гидролиз
пептидных связей в белковых молекулах.
3, Трансферазы ускоряют реакцию переноса молеку-
лярных остатков и атомных групп. Ферменты этого класса
подразделяются по характеру переносимой группы.
4. Лиазы — ферменты, катализирующие отщепление
атомных группировок с образованием двойных связей или
присоединение по месту этих связей. Одной из важнейших
групп ферментов этого класса являются декарбоксилазы, с
участием которых протекают реакции декар-
боксилирования — отщепления СОз.
5. Изомеразы катализируют внутримолекулярные
превращения, например реакции превращения одного изо-
мера в другой.
6. Лигазы ускоряют реакции синтеза сложных
органических соединений, поэтому их называют иногда
синтетазами. Реакции, катализируемые ферментами этого
класса, протекают сопряженно с реакциями распада АТФ.
Энергия молекулы АТФ используется для активирования
исходных реагирующих веществ. Эти ферменты играют
значительную роль в биосинтезе белков, нуклеиновых и
жирных кислот и других соединений.
Кинетика ферментативных реакций
Под ферментативной кинетикой понимают зависимость
скорости реакции от концентрации фермента и субстрата
и от условий ее протекания, таких, как температура,
реакция среды и т.д.
В упрощенном виде реакция превращения субстрата S
в продукт Р при участии фермента Е записывается сле-
дующим образом:
Е + S - = ES -* Е + Р,
где F.S — фермент-субстратный комплекс — промежуточное соединение,
образующееся ь начальной стадии реакции; A+i, кл — константы скоростей
прямой реакции образования комплекса ES и обратной реакции его
диссоциации, А+г — константа скорости распада комплекса ES.
54
Математическое выражение зависимости скорости фер-
ментативной реакции от концентрации субстрата впервые
предложено Михаэлисом и Ментен. Уравнение Михаэлиса—
Ментен для такой реакции имеет вид
k+2[Е] LS]
v = -----------, (3)
km+[Sl
где ka - (£-1 + £т2) /£+1 — константа Михаэлиса.
Скорость образования продукта реакции определяется
концентрацией комплекса ES, поэтому максимальной
величины скорость достигает при условии, когда весь фер-
мент связан в фермент-субстратном комплексе:
V - A+2[ES] - *+2[Е].
Тогда уравнение (3) получит следующий вид:
Утах ж ^nax|S|/(Am + [S ]).
Если v » Утах/2, то km " IS]. Таким образом,константа
кт численно равна такой концентрации субстрата, при
которой скорость составляет половину максимальной.
Анализ уравнения (3) показывает, что при условии
[S] » (Е ] скорость ферментативной реакции линейно
изменяется с изменением концентрации фермента. При
изменении концентрации субстрата в широких пределах
скорость ферментативной реакции сначала пропорциональ-
на концентрации субстрата (при низких концентрациях
его), а затем достигает постоянного максимального зна-
чения.
Скорость биохимических реакций в клетке является
функцией активности ферментов, которая, в свою очередь,
зависит от температуры, pH, присутствия в среде некото-
рых химических соединений. Вещества, которые повышают
активность ферментов, называются активаторами. К их
числу относятся ионы некоторых металлов (Мп, Mg, Zn)
и ионы хлора. Соли тяжелых металлов, синильная кислота,
оксид углерода резко снижают активность ферментов и
являются ингибиторами, которые блокируют фермент, пре-
пятствуя его реакции с субстратом.
Одним из важнейших факторов внешней среды,
влияющих на активность ферментов, является температура.
С повышением температуры скорость ферментативных про-
цессов, как и большинства химических реакций, возрастает,
но в отличие от них в более узких пределах. По
55
достижении определенной температуры наблюдается умень-
шение скорости ферментативной реакции. Падение ско-
рости связано с деструкцией белковой части фермента при
повышенных температурах и потерей в результате этого
каталитической активности.
Активность ферментов зависит и от концентрации
ионов водорода. Большинство ферментов имеют максималь-
ную активность в среде, близкой к нейтральной, отклонение
pH от оптимальных значений приводит к резкому
снижению активности ферментов.
Основные положения ферментативной кинетики
применимы и к процессу биологической очистки сточных
вод, хотя это значительно более сложный процесс, в ко-
тором участвуют комплекс ферментов и разнообразные
органические вещества сточной воды.
14. ОБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В КЛЕТКАХ
МИКРООРГАНИЗМОВ
Общие понятия об обмене веществ и энергии
Любой организм может существовать до тех пор. пока
происходит поступление питательных веществ из внешней
среды и пока продукты ст жизнедеятельности выделяются
в эту среду. Внутри клетки происходит непрерывный очень
сложный комплекс химических превращений, благодаря ко-
торым из питательных веществ образуются компоненты те-
ла клетки. Совокупность процессов превращения материи
в живом организме, сопровождающихся постоянным ее
обновлением, и называется обменом веществ.
Часть общего обмена, которая состоит в поглощении, ус-
воении питательных веществ и создании за их счет структур-
ных компонентов клетки, называется ассимиляцией — это
конструктивный обмен. Вторую чаезъ общего обмена состав-
ляют процессы диссимиляции, т.е. процессы рахтожения и
окисления органических веществ, в результате которых клетка
получает энергию, — это энергетический обмен. Конст-
руктивный и энергетический обмен составляют единое целое.
В процессе конструктивного обмена клетка из довольно
ограниченного числа низкомолекулярных соединений
синтезирует биополимеры своего тела. Биосинтетические
реакции протекают при участии разнообразных ферментов
и требуют затрат энергии.
56
Живые организмы могут использовать только
химически связанную энергию. Каждое вещество обладает
определенным запасом потенциальной энергии. Главными
материальными носителями ее являются химические связи,
разрыв или преобразование которых приводит к освобож-
дению энергии. Энергетический уровень одних связей имеег
величину 8—10 кДж — эти связи называются нормаль-
ными. В других связях заключена значительно большая
энергия — 25—40 кДж — это так называемые макро-
эргические связи. Почти все известные соединения, обла-
дающие такими связями, имеют в своем составе атомы
фосфора или серы, по месту которых в молекуле и ло-
кализованы эти сьязи. Одним из соединений, играющих
важнейшую роль в жизнедеятельности клетки, является
аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).
В состав молекулы АТФ входят аденин, рибоза и три
остатка фосфорной кислоты:
Он Он он
i । 1
(АДЕНИН < РИБОЗА: - р -Q оо р - 0 р *— Q я
И II II
ООО
Макроэргические связи в молекуле АТФ (они обозна-
чены волнистой линией) очень непрочны. При разрыве кон-
цевой фосфатной связи образуется адсяозиндифосфорная
кислота (АДФ) и выделяется около 40 кДж энергии, ко-
торая используется клеткой для всех жизненных процессов,
в частности в реакциях биосинтеза. Запас АТФ в клетках
непрерывно возобновляется за счет реакции присоединения
остатка фосфорной кислоты к молекуле АДФ:
АДФ + Н3РО4 — АТФ + Н2О.
Процесс образования АТФ у эукариот протекает в
митохондриях, у прокариот — в ферментных системах, ло-
кализованных на цитоплазматической мембране.
Синтез АТФ протекает при участии специфических
ферментов и сопровождается поглощением энергии, способы
получения которой у микроорганизмов весьма разнообраз-
ны, но могут быть сведены к двум типам; I) использование
энергии света; 2) использование энергии химических
реакций. При этом тот и другой вид энергии транс-
формируется в энергию химических связей ЛТФ. Клетка
может накапливать молекулы АТФ и расходовать их
57
энергию для различных целей. Таким образом, АТФ вы-
полняет в клетке роль трансформатора, аккумулятора и
поставщика энергии.
в живом организме непрерывно происходит перерасп-
ределение энергии между веществами. В итоге энергия
питательных веществ превращается в энергию, потребляе-
мую организмом в процессе развития и размножения, в
энергию движения, а также частично рассеивается в виде
тепла.
15. ТИПЫ ПИТАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ
Живые организмы резко отличаются друг от друга по
своим пищевым потребностям. Однако элементарный состав
пищи аналогичен и для микробов, и для высших животных,
и для растительных организмов. Основными органогенами
являются углерод, азот, кислород и водород. Кроме них
для нормального развития организмов необходим ряд эле-
ментов. Р. S, К, Fe, Са, Mg. Потребность в них невелика,
но присутствие их в питательной среде обязательно.
Большинство микроорганизмов получают эти элементы из
минеральных соединений К2НРО4, MgSCU, FeCla и т.д.
Помимо того, для нормальной жизнедеятельности микробов
необходимы микроэлементы Zn, Со, Си, Ni и др. Часть
из них входит в состав естественного питания микробов,
часть усваивается ими из минеральных солей.
Потребность в кислороде и водороде микроорганизмы
удовлетворяют за счет воды и воздуха, кроме того, эти
элементы входят в состав всех органических питательных
веществ. Что касается углерода и азота, то по отношению
к ним требования различных микробов крайне разнообраз-
ны и специфичны.
В зависимости от используемых источников углерода
микроорганизмы делятся на две группы: автотрофов и ге-
теро грофов.
1. Автотрофы (от греч. autos — сам, trophe —- пиша)
способны в качестве единственного источника углерода
использовать углекислоту или карбонаты и из этих простых
неорганических соединений синтезировать сложные
биополимеры своего тела. Среди автотрофов большинство
составляют водоросли и цианобактерии. К автотрофному
образу жизни способны также некоторые виды бактерий и
окрашенных жгутиковых.
58
2. Гетеротрофы (от греч. heteros — другой) нуждаются
в органических соединениях углерода. В свою очередь гете
рогрсфный ммкр.юргани$мы подразделяются на сапрофитов
(от греч. sapros — гнилой, ph у ion — растение) и паразитов.
Сапрофиты питаются мертвой органикой. Число
органических соединений, используемых ими в качестве
источников углерода, чрезвычайно велико — это углеводы,
спирты, органические кислоты, аминокислоты и т.д.
Практически любое природное соединение может быть исполь-
зовано тем или иным видом микроорганизмов ь качестве
источника питания или энергии. Некоторые сапрофиты спо-
собны усваивать разнообразные вещества, другие используют
углерод только совершенно определенных соединений.
Например, клетчатка служит единственным источником уг-
лерода для целлюлозных бактерий, а углеводороды — для
бактерий, населяющих нефтяные залежи.
Паразиты развиваются в живых организмах, питаясь
органическими веществами, выходящими в состав тела хо-
зяина. Паразиты нарушают равновесие биохимических про-
цессов в организме, т.е. вызывают его заболевание. Микробов,
ведущих паразитический образ жизни, называют болезнетвор-
ными или патогенными. Некоторые из патогенных микроор-
ганизмов в зависимости от условий могут существовать либо
как паразиты, либо как сапрофиты, Их называют условными
иди факультативными паразитами. К их числу относятся
возбудители многих кишечных инфекций. Другие, например
вирусы, могут развиваться только в живых клетках — это
строгие, или облигатные, паразиты.
Некоторые виды микроорганизмов способны переклю-
чаться с автотрофного типа питания на гетеротрофный, и
наоборот. Например, эвглена зеленая питается на свету
как растение, т.е. ведет автотрофный образ жизни, а в
темноте начинает интенсивно поглощать органические ве-
щества, т.е. существует как гетеротрофный организм.
Азот — элемент, входящий в состав белков. По отно-
шению к источникам азотного питания среди микроор-
ганизмов также можно выделить автоаминотрофы и ге-
тероаминотрофы.
Первые способны использовать азот неорганический
(аммонийный, нитратный, молекулярный) или простейшие
формы органического азота (мочевина) и из этих со-
единений строить разнообразнейшие белки своего тела.
При этом все формы азота сначала переводятся в ам-
59
монийную. Эта наиболее восстановленная форма азота лег-
ко трансформируется в аминогруппу.
Гстероаминотрофы нуждаются в органических формах
азота — белках и аминокислотах. Некоторым из них тре-
буется полный набор аминокислот, другие способны из
одной-двух аминокислот путем их преобразования созда-
вать необходимые белковые соединения.
Многие гетеротрофные по отношению к углероду
микроорганизмы являются автоаминотрофами. К ним
относятся и бактерии, участвующие в очистке сточных вод.
16. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ У МИКРООРГАНИЗМОВ
Микроорганизмы, способные использовать энергию сол-
нечного света, называются фототрофами. Микроорганизмы,
потребляющие энср1ию химических реакций, называются хе-
мотрофами. К первым относятся водоросли, окрашенные фор-
мы жгутиковых, цианобактерии, зеленые и пурпурные серо-
бактерии. Вторую группу составляют простейшие, грибы и
подавляющее большинство бактерий. Незначительная часть
бактерий, относящихся к этой группе, использует энергию
окисления неорганических соединений. Остальные микроор-
ганизмы окисляют органические вещества.
Принимая во внимание деление микроорганизмов по
типу питания (авто- и гетеротрофы) и по способу полу-
чения энергии (фото- и хемотрофы), возможные сочетания
вариантов конструктивного и энергетического обменов мож-
но представить следующей схемой:
фотоавтогроры [•ологоелм,
ЦНАНОС MTEPWH, ЮПьШН+СТВО
пурпурных наемных сек*актер*m
ХЕЫОЛНТОТРОРЫ ШИТ^ИШ1ЦМтМ|НЕ
САКТЕРММ. («ДДГГМЫС
СЕРОНАК№Ш*П ЖЕЛЕЗОСАКТЕРМО
фОТОГЕТЕРОТРОРЫ (НЕКОТОРЫЕ
ЦИАНОбДКТГГМИ НЕКОТОРЫЕ ПУРПУРНЫЕ
М ЗЕЛЕНЫЕ СЕРОБАКТЕРИИ»
ХЕЫОГЕТЕРОТРОФЫ 1ЕОЛЫЕИНСТВО
SAKTCPHR. ПРОСТЕЙШИЕ, ГРИСЫI
60
Микроорганизмы каждой из указанных подгрупп, в
свою очередь, отличаются по характеру допоров и конечных
акцепторов электронов (водорода). Рассмотрим сущность
обмена важнейших подгрупп микроорганизмов.
Фотоавтотрофы. Процесс образования АТФ у фото-
автотрофов сопряжен с использованием энергии солнечного
света и называется фотосинтетическим фосфо-
рилированием.
Водоросли и цианобактерии, подобно зеленым рас-
тениям, синтезируют клеточное вещество, ассимилируя С02
и используя в качестве донора водорода воду. В ходе про-
цесса выделяется кислород:
энергия АТФ
СО2 + Н2О ------------- СН?О + 02.
ферменты
Зеленые и пурпурные серобактерии в процессе жизне-
деятельности используют в качестве донора водорода не
воду, а сероводород:
энергия АТФ
С02 + 2H2S ------------- СН2О + Н20 + 2S.
ферменты
Такой тип фогосинтезэ получил название фоторедукции.
Основное отличие бактериальной фоторедукции от фотосинте-
за зеленых растений заключается в том, что донором водорода
является нс вода, а другие соединения и что фоторедукция
не сопровождается выделением кислорода.
Фсггоредуцирующие бактерии развиваются в освещенных
загрязненных водоемах, где в результате разложения
органических веществ в изобилии образуется сероводород. Ис-
пользуя H2S в процессе фоторсдукции, эти бактерии играют
важную роль в уничтожении неприятных запахов (дезодо-
рации).
Хемоавтотрофы. Явление усвоения углекислоты без
участия света при сопряженном использовании энергии
окисления неорганических соединений было открыто
С.Н. Виноградским в конце XIX в. В природных и сточных
водах из этой группы микроорганизмов наиболее распростра-
нены следующие.
1. Нитрифицирующие бактерии, получающие энергию
за счет окисления аммиака в нитриты и нитраты.
Процесс протекает в две стадии:
61
первую стадию ведут бактерии рода Nurosonionas
2NH3 + ЗО2 -* 2HNO2 + 2НгО + 557 кДж; (4)
вторая стадия осуществляется при участии бактерий
рода Nitrobacter
2HNO2 + О2 — 2HNO3 + 146 кДж. (5)
Эффективность использования энергии
нитрифицирующими бактериями очень невелика и состав-
ляет 5% для реакции (4) и 7% для реакции (5).
Вследствие этого для усвоения 1 моля углекислоты им не-
обходимо окислить соответственно 35 молей аммиака и
101 моль азотной кислоты.
Нитрифицирующие бактерии широко распространены в
природе. Очи участвуют в круговороте азота. их деятельность
обеспечивает почве плодородие. В последние годы
нитрификация нашла применение в качестве одной из стадий
процесса глубокой очистки сточных вод от соединений азота.
2. Железобактерии получают энергию в результате
окисления солей закисного железа:
4РеСОз + О2 + 6Н?0 — 4Ь'е(ОН)з + 4СО2 +
+167 кДж.
Процесс синтеза 1 г клеточного вещества сопровожда-
ется образованием примерно 500 г гидроксида железа. С
деятельностью железобактерий связывают образование бо-
лотных руд на дне водоемов.
3. Бесцветные серобактерии, к числу которых относятся
широко распространенные в сточных и загрязненных водах
бактерии рода Beggiatoa, в качестве источников энергии
используют реакции окисления сероводорода и серы:
2H2S + 02 — 2Н?О + 2S + 272 кДж; (6)
2S + ЗОг + 2НзО -* 2H?SO4 + 992 кДж. (7)
Если в среде достаточно сероводорода, эти бактерии про-
водят реакцию (6), откладывая серу в клетках в виде запасного
вещества. При недостатке H2S протекает реакция (7).
Хемогетеротрофы. К этой подгруппе относится огром-
ное число организмов, получающих энергию в результате
биологического окисления сложных органических ве-
ществ — доноров водорода в окислительно-восстановитель-
ных реакциях энергетического обмена.
Биологическое окисление органических веществ микро-
организмами представляет собой сложные процессы двух
типов: дыхание и брожение.
62
2Н\ ★ НАЛ -*~ьаан2*фад-*>на£
АДФ + НЬРОЧ |
Ы —
цигохюмь' -—2 ё~*-ФАДНр-*- 2Н
ТТ“7 I
а'гфа'Ф иф ♦
фал
Н20------
----oJ-
Рис. 14. Схема окисления углеводов в процессе дыхания
1. Дыхание называется аэробным, если роль конечного
акцептора водорода выполняет только свободный кислород.
Микроорганизмы, осуществляющие этот процесс, называ-
ются облигатными аэробами.
В качестве источников энергии (доноров водорода) хе-
могетеротрофы в процессе дыхания могут использовать
большой набор окисляемых органических соединений: уг-
леводы, жиры, белки, спирты, органические кислоты и т.д.
Суммарно процесс дыхания при окислении углеводов вы-
ражается следующим уравнением:
СбН120б + 6Н2О —- 6СО2 + 6Н2О + 2820 кДж.
На самом деле это сложный многостадийный процесс,
включающий ряд последовательных ферментативных
реакций. Обратимся к схеме, приведенной на рис. 14
Процесс превращения углеводов начинается с их гидролиза,
в результате которого образуются простые сахара {глюко-
за). У бактерий этот процесс происходит вне клетки. На
следующем этапе, включающем несколько стадий, глюкоза
63
превращается е пировиноградную кислоту (ПВК).
Окисление глюкозы на этом этапе происходит без участия
кислорода путем дегидрирования с НАД и сопровождается
образованием двух молекул АТФ на каждый 1 моль глю-
козы В клетках аэробов ПВК может быть окислена пол-
ностью в результате ряда последовательных реакций. Со-
вокупность этих превращений составляет цикл, именуемый
циклом Кребса. ПВК включается в цикл через промежу-
точное соединение ацетилкоэнзим А, образование которого
происходит в результате реакции ПВК с ферментом, но-
сящим названием коэнзим A (HSKoA):
СН3СОСООН + HSKoA CH3CO-SK0A +
+ НАД Н? + СО2.
Последовательно протекающие реакции цикла:
гидролиз, дегидрирование, дегидратация, декар-
боксилирование — приводят к полному окислению
ацетилкоэнзима А и регенерации фермента HSKoA,.
Водород, отнятый дешдрогеназами в цикле, передается в
дыхательную цепь ферментов, которая у аэробов включает
ФАД, систему цитохромов и конечный акцептор водорода
кислород. Передача водорода по этой цепи сопровождается
образованием АТФ При этом на каждые два атома водорода
синтезируются три молекулы АТФ. Образование АТФ однов-
ременно с процессом переноса протона и электрона по дыха-
тельной цели ферментов называется окислительным
фосфорилированием. Суммарно при полном окислении моля
глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Из них 24 при окислении
ПВК в цикле Кребса с передачей водорода в дыхательную
цепь ферментов. Таким образом, основное количество энергии
запасается именно на этой стадии. Замечательно то. что цикл
Кребса универсален. Такой типа окисления характерен и для
простейших, и для бактерий, и для клеток высших животных
и растений.
Промежуточные соединения цикла частично использу-
ются для синтеза клеточного вещества.
Источником энергии для микробов могут служить и
жиры. Гидролиз жиров приводит к образованию глицерина
и высших жирных кислот, дальнейшие пути превращения
которых различны. Ферментативное окисление глицерина
приводит к образованию ПВК и последующему окислению
ее в цикле Кребса. Превращение жирных кислот носит
сложный многоступенчатый характер и заключается в пос-
64
тепенном отщеплении двух углеродных атомов при участии
HSKoA. Единственным продуктом этого распада является
ацетилкоэнзим А, который вступает затем в цикл Кребса.
Характерная особенность процессов энергетического обме-
на заключается в ступенчатом использовании энергии пита-
тельных веществ. Если бы в клетке окисление глюкозы или
других соединений происходило в одну стадию, го одновре-
менное выделение более 2000 кДж энергии, большая часть
которой не может быть усвоена клеткой и превращается в
тепловую энергию, привело бы к резкому повышению тем-
пературы и гибели организма. Именно поэтому многоступен-
чатое использование энергии питательных веществ
принципиально необходимо для жизнедеятельности микрс-
оргзнизмов.
Окисление питательных веществ не всегда протекает
до конца. Некоторые аэробы окисляют органические со-
единения частично, при этом в среде накапливаются про-
межуточные продукты окисления.
Налагают, что, используя для получения энергии такие
соединения, как спирты, у глс водород ь/, органические
кислоты и т.д., микроорганизмы преобразуют эти вещества
и на определенном этапе включают их в обменный цикл
углеводов и жиров. Например, при использовании углево-
дородов бактериями рода Pseudomonas молекула углеводо-
рода подвергается последовательно окислению молекуляр-
ным кислородом, дегидрированию, гидролизу. Образо-
вавшиеся в результате жирные кислоты включаются н рас-
смотренный выше цикл превращений.
Если микроорганизмы лишены источников питания, они
некоторое время могут существовать за счет внутрикле-
точных запасов, в основном полисахаридов и жиров. Эндо-
генное дыхание за счет этих веществ протекает по тому
же пути, что и окисление экзогенных источников энергии.
Когда запасы питательных веществ исчерпаны, начинается
окисление клеточных белков.
Некоторые микроорганизмы в процессе дыхания могут
использовать в качестве конечного акцептора водорода не
кислород, а окисленные соединения азота (нитриты, нитра-
ты), серы (сульфаты), углерода (СО2). Такой процесс ды-
хания называется анаэробным.
Использование нитратов в процессе дыхания присуще
многим видам денитрифицирующих бактерий. Пути прев-
ращения веществ в процессе нитратного дыхания те же,
65
чт» и при аэробном дыхании Денитрификаторы имеют два
ферментные системы, одна из которых позволяет нм в
присутствии кислорода осущестстять процесс аэробного ды-
хания. Вторая ферментная система имеет ту же самую
цепь переноса водорода, как и первая, с той лишь
разницей, что в цитохромной системе вместо цитохро-
моксидазы присутствует фермент нитрат редуктаза. Микро-
организмы, способные развиваться как в присутствии
кислорода, так и без него, называются факультативными
анаэробами. В обшем виде процесс анаэробного дыхания
за счет нитратов может быть записан так:
(органическое вещество — донор водорода) + 2NOj -* N2 + 6H2U.
Денитрификация в природе является одной из стадий
круговорота азота. На очистных сооружениях канализации
этот процесс в сочетании с нитрификацией применяется
для полного удаления соединений азота из сточных вод.
Микроорганизмы, использующие в процессе дыхания суль-
фаты и диоксид углерода называются строгими анаэробами.
Кислород и другие окислители являются для них ядом. При
использовании сульфатов в качестве конечного акцептора во-
дорода микроорганизмы восстанавливают их до сульфидов:
(органическое вещество — донор водорода! + SO4 -» H2S + 4H2O.
Анаэробное дыхание с использованием диоксида угле-
рода сопровождается образованием метана:
(органическое вещество — донор водорода) + СОг —* СН4 + 2И;О
2. Анаэробный процесс биологического окисления
органических веществ, при котором акцептор водорода
(также органическое вещество) образуется в ходе распада
окисляемого субстрата, называется брожением.
Процессы брожения осуществляются многими видами
бактерий и дрожжей. Существует несколько типов бро-
жений, названия которым даются по конечному продукту:
спиртовое — дрожжами, пропионовокислое — пропионо-
вокислыми бактериями, метановое — метанообразующими
бактериями. Сбраживанию подвергаются в основном угле-
воды, но многие бактерии способны сбраживать самые раз-
нообразные соединения: органические кислоты,
аминокислоты, пурины и т.д.
66
В отличие от аэробов анаэробы, осуществляющие
процесс брожения, не имеют полной цепи ферментов пере*
носа водорода, лоэгому нс могут использовать кислород
в качестве конечного акцептора водорода. Перенос водорода
при брожении осуществляется по схеме:
(органическое вещество — донор водорода ) + НАД -* (окисленное
органическое веще ство) +11АД Hz; (8 )
НАД Н? + <ор1&ниче<.кое вещество — акцептор водорода) НАД
+• (.восстановленное органическое вещество). (9)
В результате брожения в среде накапливаются вещества,
степень окисления углерода в которых может быть как выше,
так и ниже, чем в исходном субстрате. Однако средняя степень
окисления углерода остается такой же, как у субстрата.
Например, при спиртовом брожении глюкозы
СбН)20б — 2СОз + С2Н5ОН
образуются две молекулы СО2 (степень окисления углерода
+ 4) и две молекулы спирта (степень окисления углерода
— 2). Средняя степень окисления углерода в продуктах
брожения составляет: 2(+4)+2|2(—2)] - 0, т.е. равна сте-
пени окисления углерода в исходной молекуле глюкозы.
Процесс окисления углеводов при дыхании и брожении
протекает совершенно одинаково вплоть до образования
ПВК. Конечным продуктом этого этапа кроме ПВК явля-
ется и восстановленная дегидрогеназа НАД Н2 [см.
реакцию (8) ]. Регенерация фермента протекает в резуль-
тате окислительно-восстановительной реакции (9) с
участием ПВК или продуктов, образованных из нее. Эти
реакции дальнейшего превращения ПВК значительно
варьируют у разных микроорганизмов и приводят к обра-
зованию различных конечных продуктов брожения:
спиртов, кислот, ацетона, газов брожения СО2, Н2, СН4.
Например, при спиртовом брожении сначала протекает
реакция образования из ПВК уксусного альдегида:
СНзСОСООН ±£мент-> СН3СНО + СО2;
затем уксусный альдегид реагирует с НАД Н2:
СНзСНО + НАД Н2 — СН3СН2ОН + НАД.
При молочнокислом брожении превращение ПВК про-
текает по следующей реакции:
СНзСОСООН + НАД Н2-* СНзСНОНСООН + НАД.
67
И в том, и в другом случае конечный акцептор водорода
образован при распаде исходной молекулы глюкозы.
Количество энергии, которое микроорганизм может по-
лучить в результате брожения, невелико, так как полного
окисления не происходит и часть энергии остается в ко-
нечных продуктах брожения. Энергия запасается в виде
АТФ только на стадии окисления глюкозы по ПВК. Если
полное окисление глюкозы в процессе дыхания сопряжено
с образованием 38 молекул АТФ, то в ходе брожения обра-
зуются только две молекулы АТФ.
17. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ
Рост микробиальной клетки — это увеличение размера
и веса одной особи между двумя делениями. Обычно под
ростом подразумевается рост не только отдельной клетки,
но и культуры микроорганизмов, т.е. общее увеличение
числа клеток.
Рост культуры во времени подчиняется определенной
закономерности. Для выявления этой закономерности
клетки какого-либо вида помещают в жидкую питательную
Среду и через определенные интервалы времени ведут под-
счет живых микробов. Результаты выражают в виде
зависимости логарифма числа клеток от времени. На про-
тяжении всего опыта питательные вещества в среду не
добавляются, продукты обмена клеток не удаляются. Такая
культура носит называние статической.
В общем виде рост статической культуры во времени
описывается кривой 1 (рис. 15). На этой кривой можно
выделить несколько участков (фаз развития), каждый из
которых характеризуется индивидуальными условиями су-
шествования культуры. Клеткам в каждой фазе присущи
своя скорость размножения, размеры и биохимическая
активность. Кривая 2 характеризует процесс потребления
клетками субстрата.
Фаза 1 — фаза задержки роста — носит название лаг-
фазы (от англ. — отставание). В этот период клетки
привыкают к новой среде. Скорость деления в начале фазы
равна нулю, но к концу достигает максимально возможной
для данного вида микроорганизмов величины.
Фаза И — фаза логарифмического роста. В этот
период клетки делятся с максимальной постоянной скоро-
стью. Количество питательных веществ еще не ограничено.
68
Рис. 15. Кривая роста статической гуль-
гуры
Клетки мелкие, большинство из них молодые и
биологически активные, обладают наиболее ярко выражен-
ными видовыми признаками. Скорость размножения в этой
фазе характеризуется временем между двумя последова-
тельными делениями клетки (продолжительность гене-
рации). Если считать, что отрезок времени t произошло п
генераций, то продолжительность генерации т можно вы-
разить как
т = t/n.
(10)
Если в начале опыта число клеток равнялось Со, а за
время t через п генераций — С/, то
Ct = Со2л. (II)
Из выражения (11) легко подсчитать число генераций
'oGt -
n =--------------.
ig2
Подставляя значение п в выражение (10), находим про-
должительность генерации т . Продолжительность гене-
рации для некоторых видов составляет 20—30 мин, а для
других может составлять сутки.
Фаза 111 — замедления роста. Интенсивность деления
клеток падает, так как изменяются условия существования
культуры: истощаются запасы питательных веществ, в среде
накапливаются ядовитые продукты обмена. Погибает все
больше особей.
Фаза IV — фаза стационарного роста. В течение этой
фазы численность живых клеток остается постоянной.
Число вновь образующихся клеток равно числу погиба-
ющих.
60
Фаза V — фаза отмирания. Условия становятся все
более неблагоприятными, число погибающих клеток непре-
рывно возрастает, так как в среде к началу этой фазы не
остается питательных веществ, и микроорганизмы исполь-
зуют внутриклеточные вещества. Эту фазу называют также
фазой эндогенного дыхания.
Длительность отдельных фаз зависит от условий внеш-
ней среды (температура, pH, концентрация питательных
веществ) и может колебаться в значительных пределах у
различных микроорганизмов.
Рассмотренные закономерности роста и развития чистой
культуры оказались справедливыми и для активного ила,
хотя он представляет собой сложное сообщество микроор-
ганизмов.
18. МИКРООРГАНИЗМЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Различные виды организмов развиваются не
изолированно, а образуют сложные сообщества — биоце-
нозы, представляющие собой организованные системы с
разнообразными типами взаимоотношений между пред-
ставителями отдельных видов.
Симбиотические отношения приносят взаимную выгоду
симбионтам. Совместный рост таких организмов протекает
лучше, чем развитие их по отдельности. Примером
симбиотических взаимоотношений является симбиоз зеленых
водорослей и инфузорий. Водоросль, поселяясь внутри тела
инфузории, использует энергию света для превращения СОг
в органические вещества, выделяя при этом кислород. Инфу-
зория потребляет кислород для окисления органических ве-
ществ в процессе дыхания, образуя в итоге СОг-
Широко распространенным типом взаимоотношений
является метабиоз, при котором жизнедеятельность одних
микроорганизмов создает условия для развития других. Ме-
табиотические взаимоотношения обусловливают последова-
тельность превращений одних веществ в другие и лежат
в основе круговорота веществ в природе. Примером таких
взаимоотношений могут служить сообщество факуль-
тативных и облигатных анаэробов, осуществляющих
процесс брожения осадков сточных вод в метантенках, а
также нитрифицирующие бактерии родов Nitrosomonas и
Nitrobacter.
70
Антагонистические взаимоотношения между микроор-
ганизмами очень разнообразны. Это и хищничество
(пожирание бакт&рий простейшими), и паразитизм
(уничтожение бактерий бактериофагами), и выделение в
среду продуктов обмена, снижающих жизнедеятельность
других организмов или убивающих их. Например, конеч-
ный продукт обмена молочнокислых бактерий — молочная
кислота — препятствует развитию гнилостных бактерий.
Некоторые виды грибов и актин омицстов выделяют в среду
биологически активные вещества — антибиотики, облада-
ющие бактерицидным действием.
Антагонизм в микромире является одним их важнейших
факторов, определяющих состав биоценозов.
Состав и характер биоценозов в значительной степени
зависит от условий окружающей среды, с которой нераз-
рывна связана жизнь микроорганизмов. С одной стороны,
деятельность микробов приводит к значительным изме-
нениям окружающей среды в результате удаления из нее
питательных веществ и выделения продуктов обмена; с дру-
гой стороны, — интенсивность обменных процессов внутри
клетки во многом зависит от условий (факторов) окружа-
ющей среды. Факторы окружающей среды, влияющие на
деятельность микроорганизмов, подразделяют на
физические и химические.
Физические факторы К важнейшим физическим фак-
торам, обусловливающим активность микроорганизмов,
относятся влажность, температура, свет. Для активного рос-
та и развития микробов необходимо наличие в среде воды.
Доступной для них формой является вода в капельно-
жидком состоянии. Именно поэтому температурный интер-
вал, в котором возможна жизнь микроорганизмов,
ограничен температурами от — 2°С (или ниже в средах с
высоким осмотическим давлением) до +100°С.
По отношению к температуре микроорганизмы делятся
на три группы.
1. Психрофилы, или холодолюбивыс (от греч.
psychia — холод, phileo — люблю). Эти микроорганизмы
способны развиваться в интервале температур от —2 до
+30°С. Оптимальной для них является температура 10—
15°С. К организмам этой группы относятся обитатели се-
верных морей, почв, некоторые микроорганизмы очистных
сооружений канализации.
71
2. Термофилы, или теплолюбивые (от греч. therme —
тепло). Температурный диапазон их развития 30—85ЛС с
оптимумом около 50—60°С. Микроорганизмы этой группы
обитают в горячих источниках и в гниющем навозе. Тер-
мофильные бактерии участвуют в процессе сбраживания
осадков на городских сооружениях канализации.
3. Мезофилы (от греч. mesos — средний). Эти микро-
организмы развиваются в интервале температур от 5 до
50°С. Оптимальной для них является температура 25—
37°С< К мезофильным микроорганизмам относятся
большинство бактерий, простейших грибов. К этой же груп-
пе относятся и все патогенные для человека и теплокров-
ных животных организмы.
Способность развиваться при определенной температуре
следует отличать от способности переносить ту или иную тем-
пературу. Так, многие микроорганизмы при температуре ниже
нуля сохранякп жизнеспособность длительное время, но
активная их жизнедеятельность при такой температуре
приостанавливается. Споры многих бактерий не погибают даже
при температуре жидкого водорода (—252'С).
Значительно менее устойчивы микроорганизмы к
действию высоких температур. Большинство неспороносных
бактерий погибает при температуре 70иС в течение 10—
15 мин, при 100эС в течение 1 мин. Губительное действие
высоких температур связано с денатурацией белков.
Бслыиищтво микроорганизмов хорошо растет в темноте.
Исключение составляют фототрофы, использующие энергию
солнечного луча. Прямой солнечный свет губительно действует
на микроорганизмы. Микробоцвдное (убивающее) действие
его обусловлена главным образом ультрафиолетовой частью
спектра. Адсорбция ультрафиолетовых лучей белками и нук-
леиновыми кислотами клетки приводит к необратимым
химическим изменениям. Наиболее чувствительны к действию
света вететативные клеткй. Большинство патогенных микро-
бов более чувствительны к ультрафиолетовым лучам, чем сап-
рофиты. Эти лучи обладают низкой проникающей способно-
стью и действуют в основном на поверхности.
Химические факторы. Концентрация водородных ионов
оказывает существенное влияние на развитие микроор-
ганизмов. Большинство бактерий предпочитает среды с pH,
близким к нейтральному (6,5—7,5). Однако есть некоторые
виды бактерий, хорошо растущих в щелочной или более
кислой среде. Благоприятной средой для развития грибов
72
является среда с pH « 4—6, а актиномицеты лучше растут
в щелочной среде.
Огклонение pH от оптимальных значений влечет за
собой снижение активности ферментов, изменение проница-
емости цитоплазматической мембраны для отдельных ионов
и нарушение обменных процессов.
Многие химические соединения обладают антимикроб-
ным действием, при этом одни из них только задерживают
развитие микробов (микробостатическое действие), другие
обладают микробоцидными свойствами. Такие соединения
обычно называют ядами. Однако абсолютных ядов не су-
ществует, и степень их воздействия на микроорганизмы
зависит от концентрации, продолжительности контакта и
вида микробов Многие яды в очень малых концентрациях
оказывают даже стимулирующее действие, повышая
биохимическую активность микроорганизмов.
Среди неорганических веществ микробоцидным эффектом
обладают соли тяжелых металлов, такие окислители, как хлор,
озон, бром, йод. Соединения серебра и меди проявляют микро-
боциднос действие в ничтожна малых концентрациях. Такое
действие называется плигодинимическил (от греч. oligos —
малый). Сильными ядами для микря^бов являются и некоторые
органические соединения: фенолы, спирты, формалин и т.д.
В то же время многие из этих веществ специфическими груп-
пами микроорганизмов могут использоваться в качестве
источников углеродного питания. Целый ряд химических со-
единений — микробных ядов используется для обезза-
раживания различных материалов. Микробоцидное действие
сильных окислителей лежит в основе широко применяемых
методов обеззараживания питьевых и сточных вод.
Г л а в а 6. РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
В ПРЕВРАЩЕНИЯХ И КРУГОВОРОТЕ ВЕЩЕСТВ
В биосфере протекает непрерывный процесс созидания
и разрушения органического вещества при активном
участии микроорганизмов. Совокупность происходящих
процессов составляет биологический круговорот, в который
вовлечены все химические элементы, -ходящие в состав
живой материи. Особый интерес представляют круговороты
основных органогенов — углерода и азота. Биохимические
73
процессы разложения органических веществ, осуществляе-
мые микроорганизмами в природных условиях, лежат в
основе биологических методов очистки сточных вод.
Естественные циклы превращений углерода и азота в
значительной мере нарушаются в результате хозяйственной
деятельности человека. Так, атмосфера обогащается диоксидом
углерода, образующимся при сжигании различных видов
топлива; атмосферный азот используется в промышленности
для получения аммиака и азотной кислоты.
19. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА
Схема естественного цикла углерода представлена на
рис. 16. Биологический круговорот углерода начинается с
фиксации СОг из атмосферы зелеными растениями,
микроскопическими водорослями, цианобактериями в
процессе фотосинтеза и превращения его в сложные ком-
поненты клетки — углеводы, жиры, белки. Эти биополиме-
ры растительною происхождения частично служат пищей
разнообразным животным, частично отмирают, образуя
вместе с отмершими животными и их мстаболидами мер-
твое органическое вещество.
В процессе дыхания фотосинтезирующих организмов и
животных углерод в виде СОг возвращается в атмосферу.
Наиболее важный этап деятельности микроорганизмов
связан с разложением ими мертвого органического вещества.
Главенствующую роль в этих процессах играют бактерии и
грибы. Окисление органических веществ может осуществлять-
ся в аэробных и анаэробных условиях. Рассмотрим основные
варианты превращения безазотистых компонентов клеточного
вещества отмерших растений и животных.
Углеводы.. Остатки отмерших растений и продукты
обмена животных организмов содержат сложные полиса-
хариды, важнейшим из которых является клетчатка
или целлюлоза. Целлюлоза — основа всех растений,
совершенно не усваивается животными, но разрушается
под действием специфических видов грибов и бактерий,
обладающих гидролитическими ферментами целлюлазой
и целлобиазой. Процесс двухстадийного ферментативного
гидролиза клетчатки приводит к образованию глюкозы:
2(СбН1о05)п + лН2О ЛС12Н22О11;
C12H22O11 + Н20
целлобиаза
2СбН120б.
74
Рис, 1Ь. Схема биологического круговорота углерода
1 — ассимиляции СОг фотосинтезирующими орфизмами; II —
поедание растений животными; III — отмирание растений и
животных; IV — разложение мертвого ор1аничсского вещества
микроорганизмами
В аэробных условиях клетчатку активно используют
грибы родов Aspergillus, Penicillium и др., бактерии родов
Cytophaga, Cellvibrio.
Некоторые виды бактерий, в частности псевдомонады,
широко распространенные в природе и на очистных соо-
ружениях систем водоотведения, в отсутствии других
источников углерода также способны окислять целлюлозу.
Образовавшаяся в результате гидролиза клетчатки глю-
коза окисляется всеми перечисленными микроорганизмами
в процессе аэробного дыхания до СО2 и НзО (см. 16).
СО2 возвращается в атмосферу.
Другие компоненты растительных осадков, такие, как
гемицеллюлозы и пектиновые вещества, под действием фер-
ментов смешанных культур бактерий и грибов также прев-
ращаются в глюкозу, которая используется многими видами
микроорганизмов. Окисление глюкозы не обязательно идет
до конца, и в среде могут накапливаться промежуточные
метаболиты цикла Кребса (янтарная, яблочная, лимонная
и другие кислоты). Аэробное окисление растительных остат-
ков в природе приводит к образованию гумуса.
75
В анаэробных условиях клетчатка окисляется, как
правило, смешанными культурами бактерий. Активными
деструкторами целлюлозы в анасообных условиях являются
некоторые виды бактерий рода Clostridium. Смешенные
культуры бактерий сбраживают полисахариды по типу мас-
лянокислого, молочного, спиртового (см. 16), метанового
(см. 49) брожений. В последнем варианте кроме СО2 обра-
зуется метан. В природных условиях метан способны
использовать метаноокисляюшис бактерии, при этом в ат-
мосферу возвращается СО2.
Жиры. Жиры растительных и животных тканей рас-
щепляются микроорганизмами, обладающими липолити-
ческими ферментами класса гидратаз. Ферментативный
гидролиз жиров приводит к образованию глицерина и
высших жирных кислот (ВЖК):
СзН5(СООК)з + ЗН2О СзН5(ОН)з + 3R—СООН.
глицерин ВЖК
Гидратиз жиров протекает беспрепятственно как в
аэробных, так и в анаэробных условиях.
Глицерин в ходе сложных ферментативных реакций
превращается в ПВК:
С3Н5(ОН)з -£ СзН7Оз(Н2РОз) --i СзН5Оз(Н2РОз)
^_M^1!3£%H3COCOOH + 4АТФ + 2НАД Н2.
В аэробных условиях ПВК включается в цикл Кребса
и окисляется до НгО и С02, последний возвращается в
атмосферу. В анаэробных условиях ПВК сбраживается по
одному из типов брожений, продуктом которых могут быть
кислоты, спирты, СОг.
Более сложные превращения претерпевают ВЖК.
Последовательность превращений ВЖК называют
.Z? - окислением. Первая стадия состоит в активации моле-
кулы ВЖК с участием АТФ:
АТФ
Я-СН2-СН2-СН2-СН2СООН + HSKoA -i Я-СН2-СН2-
СН2 -СН2-СО- SKoA.
На последующих стадиях активированная ВЖК подверга-
ется дегидрированию <ФАД), гидролизу, повторному
дегидрированию (НАД) и снова взаимодействует с HSKoA:
76
Я-СН2-СН2-СН2-СН2-СО -SKoA
ФАД, н 20, НАД, HSKoA
—►R-CH2-CH2-CO-SKoA + СНзСО-SKoA (12)
Процесс (12) продолжается до тех пор, пока вся молекула
ВЖК не превратится в а цетилкоэнз им А (СН3СО ~ SKoA) —
единственный продукт-окисления ВЖК. Ацетилкоэнзим
А в аэробных условиях включается в цикл Кребса. В анаэ-
робных условиях CHjCO SKoA, представляющий собой
активированную уксусную кислоту, сбраживается. В любом
варианте СОг возвращается в атмосферу.
Таким образом, из четырех основных этапов
биологического цикла углерода микроорганизмы принимают
участие в двух: ассимиляции СОг и разложении мертвого
органического вещества. Без участия микроорганизмов
жизнь на Земле прекратилась бы достаточно быстро из-за
скопления остатков животных и растительных организмов.
20. КРУГОВОРОТ АЗОТА
Биологический круговорот азота показан на рис. 17.
Газообразный азот атмосферы, количество которого
оценивается в 3 800 000 млрд, т, в силу своей инертности
недоступен высшим растениям и животным. В естественный
цикл азот вовлекается, главным образом, в результате
биологической фиксации его свободноживушими бак-
териями родов Azolobacter и Clostridium pastenanum. клу-
беньковыми бактериями — симбионтами высших растений,
некоторыми грибами и многими видами цианобактерий.
Биологическая фиксация приводит к переводу инерлного
молекулярного азота в аммонийную форму. Некоторое
количество азота вовлекается в естественный круговорот в
результате грозовых разрядов и фотохимического
окисления.
Растения, потребляя аммонийный или нитратный азот,
синтезируют разнообразные растительные белки. Живот-
ные, поедая растения, трансформируют растительные белки
в животные. Отмершие растения и животные, а также их
метаболиты, содержащие белковые соединения, расщепля-
ются микроорганизмами. Процесс разложения азотсодер-
жащих веществ называется аммонификацией, так как соп-
ровождается выделением аммиака.
Аммонификация может протекать в аэробных и анаэ-
робных условиях при участии микроорганизмов, облада-
77
Рис. 17. Схема биологического круговорота азота
I — биологическая фиксация азота. 1а — атмосферная фиксация
азота, II — потребление азотных соединений растениями; III —
поедание растений животными; IV — отмирание растений и
животных; V — аммонификация; VI — нитрификация; VII —
денитрификаии я
юших протеолитическими ферментами. Ферментативный
гидролиз под действием внеклеточных протеаз приводит к
расщеплению сложных белковых молекул сначала до
пептидов, а затем до аминокислот.
В аэробных условиях активными аммонификаторами
являются псевдомонады, бактерии родов Proteus и Bacillus,
грибы рода Aspergillus, многие актиномицеты. Внутрикле-
точные превращения аминокислот очень разнообразны.
Все 20 аминокислот, составляющих разнообразные белки,
в клетках аэробов могут быть окислены полностью, так
как в процессе дезаминирования (отщепления аммиака)
они превращаются в один из промежуточных метаболитов
цикла Кребса. Так, пять аминокислот превращаются в
ацетилкоэнзим А, пять других — в ПВК, три — в янтар-
ную кислоту, две — в щапелевоуксусную, остальные
пять — в с*-кетоглутаровую кислоту. Механизм последнего
процесса может быть описан следующей реакцией:
nh2
СН2 - СН2 - CH (СООН): + НАД + Н2О = N4, + СН2 -
- СН2 - СО (СООН)2 + надн2.
78
Кроме окисления в цикле Кребса аминокислоты уча-
ствуют и б других реакциях, необходимых для клетки.
Например, в результате гидролитического дезамирования
аминокислот могут образовываться оксикислоты:
NH
ОН
2
R - СН - СЭОН + Н2 О - R - CH - СООН + NH
з
В анаэробных условиях аммонификацию осуществляют
смешанные культуры бактерий родов Clostridium,
Micrococcus и др. Основным вариантом превращения
аминокислот в условиях анаэробиоза является реакция
Стикленда — сопряженное окисление и восстановление
двух аминокислот, одна из которых играет рать
окислителя, другая — восстановителя. В результате
реакции Стикленда из аминокислот образуются жирные и
кетокислоты и выделяется аммиак. Например, взаимо-
действие валина и глицина протекает по следующей схеме:
Н
HiC, Н Н-»с
,СН - С - СООН + НАД + Н .О =
Н3С
СН - СО - СООН*
Н tC
1МН2
валин
+ NH3 + НАДН:
CH2-NH2COOH + НАД Н2 = NHj + СН3СООН.
ГЛИЦИН
В этой реакции валин играет роль восстановителя, а глицин
является окислителем.
Серосодержащие аминокислоты рахтагаются в анаэроб-
ных условиях с выделением не только аммиака,но и се-
роводорода и меркаптанов. При брожении других
аминокислот в среде накапливаются индол и скатол, ко-
торые наряду с сероводородом и меркаптанами обусловлива-
ют отвратительный запах, сопровождающий процесс раз-
ложения белковых соединений в анаэробных условиях.
К числу важнейших азотсодержащих продуктов обмена
животных организмов относится мочевина (карбамид).
Аммонификация мочевины осуществляется специфической
группой уробактерий, некоторыми грибами и актиномице-
79
тами. Вес перечисленные микроорганизмы имеют фермент
уреазу:
уреаза
(NHznCO + Н2О —-------------- СО2 + 2NH3.
Образовавшийся в процессе аммонификации ам-
монийный азот может служить источником азотного
питания для растений и микроорганизмов или окисляться
в процессе нитрификации до нитритов и нитратов. Пос-
ледние также являются источником азота для растений.
Сущность процесса нитрификации описывается реакциями
(4) и (5) (см. 16).
Завершает круговорот азота процесс денитрификации,
осуществляемый бактериями-денитрификаторами. К числу
активных денитрифика торов относятся многие виды бак-
терий родов Pseudomonas, Bacillus, Micrococcus, Proteus,
Alcaligenes. Этот процесс протекает в анаэробных условиях
и в общем виде описывается следующими реакциями:
4АН2 + 2 NO'» —- N2 + 4Н2О + 4А;
6АН2 + 2NO3 N2 + 6Н2О + 6А,
где АН? — ор|аиическое вещество — донор водорода, в качестве которого
денитрификаторы способны использовать широкий набор органических со-
единений: углеводы, спирты, органические кислоты и т.д.
В результате процесса денитрификации азот возвраща-
ется в атмосферу. Из семи этапов биологического круго-
ворота азота четыре происходят с участием микроор-
ганизмов, что свидетельствует об их важной роли в жизни
Земли.
Вопросы для самоконтроля
1 Перечислите отличительные признак и мик рооргв низмив и поясните их
значение.
2. Основу строения клеток всех живых организмов составляют За-
кончите ответ.
3. Почему большинство микр<х>рганизмов не могут быть отнесены к
животному или растительному чиру?
4 Что означает термин ’протисты"?
5 В чем принципиальные различия в строении клегок прокариот и
эукариот?
6. Перечислите органеллы, присущие клеткам как высших, гак и низших
протистов.
7. Синтез белка осуществляется: в митохондриях, цитоплазматической
мембране, ядре, рибосомах, комплексе Гольджи Выберите правильный ответ.
8 Разделите все известные вам микроорганизмы на две группы з
зависимости от строения ядерною аппарата
80
9. Носителем наследственной информации в клетке является ... За
кончите ответ.
10- Митохондрии — органеллы, в которых происходит синтез белка, энер-
гетические процессы, накапливание продуктов обмена. Выберите правильный
ответ
11. Среди микроорганизмов самыми высокоор<|анизонанными являются
простейшие класса ... Более высокий уровень организации их клеток проявля-
ется в наличии ... Закончите ответ.
12. Поясните сущность процесса спорообразования у бактерий. У каких
микроорганизмов возможен аналогичный по сути процесс'’ Какой называется'’
13. Свеючувстьигельные пигменты присущи клеткам ... Перечислите
группы микроор^низмов, скажите, как называются органеллы, в которых сос-
редоточены светочувствительные пигменты
14 Какие микроорганизмы обладаю! признаками грибов и бактерий4
15. Чем отличается процесс спорообразования у грибов и бактерий?
16- Какие микроорганизмы не имеют клеточного строения? В чем состоит
их жизненный цикл?
17. Какие функции выполняют ферменты в клетке?
18 Активной частью фермента является Для первичных дегидрогеназ
нм янляется ... Дополните ответ
19 Рассмотрите две реакции:
СНОСНО + НАД Н2 —- СНЗСН2ОН + НАД; (1)
СНЗСОСООН + НАД + HSKoA - СНЗСО ~ SKoA +
4-НАЛ Н2 + С02, (2)
разберите, какие вещества являются донорами водорода, какие — его
акцепторами в каждой реакции. Как называется связь, обозначенная
волнистой линией’’
20. Гидролазы катализируют реакции гидролиза Оксидоредуктазы ка-
тализируют ... Закончите ответ.
21 Дайте характеристику ферментов, относящихся к классу оксидоре-
дуктаз.
22. Энергию какого химического соединения используют все живые
организмы для внутриклеточных процессов?
23. Для чего клетке нужны азот и фосфор?
24. В чем отличия автотрофов от гетеротрофов, фототрофов от хс.мотро-
фов, сапрофитов от паразитов?
25. Как называются микроорганизмы, использующие энергию
химических реакций и потребляющие СО; в качеств»? источника углерода'*
Приведите примеры.
26 Поясните сущность процесса дыхания.
27 Расскажите об особенностях процесса брожения.
28. Па примере окисления глюкозы в процессе дыхания и спиртового бро-
жения покажите, в каком из процессов выделяется больше энергии и почему
29 Почему в клетках всех живых организмов окисление питательных ве-
ществ происходит постепенно, в несколько этапов0
30. В чем проявляется взаимосвязь конструктивного и энергетического
обменов?
31 Дайте определения биоценозу, поясните ст чего зависит его состав
32. Какой тип взаимоотношений характерен для бактерий и простейших4
81
33. В каком температурном интервале способны жить микроорганизмы9
Чем объясняются его нижняя и верхняя границы?
34. Какая температура называется оптимальной'* Чем объясняется
различие в температурном оптимуме для разных микроорганизмов?
35. Как нызываются микроорганизмы, относящиеся к различным темпе-
ратурным группам?
36 Чем объясняется неблагоприятное воздействие низких и высоких зна-
чений pH на микроорганизмы?
37 Что такое микробные яды'*
38. Оцените роль микроорганизмов в кру го ворот с веществ в природе. Воз-
можна ли жизнь без микроорганизмов?
39. Какой тин взаимоотношений между микроорганизмами является
определяющим н круговороте веществ в природе?
РАЗДЕЛ3. СОСТАВ ПРИРОДНЫХ
И сточных вод
Г л а в а 7. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПРИМЕСЯХ
И КАЧЕСТВЕ ВОДЫ РАЗЛИЧНОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Под качеством воды понимают совокупность ее свойств,
обусловленных характером и концентрацией содержащихся
в воде примесей.
При оценке качества воды существенную роль играет
не только природа примесей, но и их физико-химическое
состояние.
21. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ ГОДЫ ПО ИХ
ФАЗОВО ДИСПЕРСНОМУ СОСТОЯНИЮ
Классификация, предложенная акад. Л.А. Кульским,
основана на различии физико-химического состояния
примесей воды, в значительной мере определяемого диспер-
сностью ветеств. Этот принцип позволил разделить все
многообразные примеси природных и сточных вод, различа-
ющиеся по химическим и физическим характеристикам,
на четыре группы.
Первая группа примесей с частицами размером 10 —
10 5 см (степень дисперсности 10—10s см1) представлена
взвешенными в воде частицами, образующими суспензии
и эмульсии. К этой группе отнесены также различные
организмы планктона, в том числе бактерии.
Вторую группу примесей с частицами размером 10 5—
10 6 см составляют коллоидно растворенные примеси и вы-
сокомолекулярные органические вещества.
К третьей группе примесей, размер частиц которых
составляет 10"6—10"7 см, отнесены молекулярно растворен-
ные вещества, вирусы и бактериофаги, а также растворен-
ные в воде газы — кислород, диоксид углерода и т.д.
Четвертую группу примесей с частицами размером ме-
нее 10” см составляют вещества, диссоциирующие в воде
на ионы.
8J
Примеси первой и второй групп образуют с водой ге-
терогенные, а третьей и четвертой групп — гомогенные
системы.
Примеси каждой группы обладают специфическими осо-
бенностями, поэтому для их удаления необходимы вполне
определенные технологические приемы. При очистке воды
по мере необходимости можно переводить загрязняющие
вещества из одного фазово-дисперсного состояния в другое.
22. ПОНЯТИЕ ОБ АНАЛИЗЕ БОДЫ
Для определения качества питьевых, природных и сточ-
ных вод требуется проведение большого количества раз-
нотипных анализов — химических, физико-химических,
санитарно-бактериолотческих. Набор столь разнохарактер-
ных определений обусловлен сложностью состава примесей
воды и большим разнообразием целей, для которых вы-
полняется анализ.
Многие показатели, такие, как окисляемость, сухой
остаток, прозрачность и т.д., характеризуют наличие в воде
примесей, различных и по своей природе, и по степени
дисперсности. Другие показатели оценивают содержание в
воде индивидуальных веществ. При оценке питьевых,
природных и сточных вод есть показатели, общие для всех
категорий воды, но есть и специфические, необходимые
для характеристики той или иной воды.
Основными задачами, решаемыми на основе анализов,
являются:
оценка санитарно-токсикологического состояния воды;
определение пригодности воды для конкретного вида
потребления;
определение степени и характера загрязненности воды;
выявление возможности применения тех или иных ме-
тодов очистки воды;
управление процессами очистки воды и контроль работы
сооружений;
оценка эффективности работы отдельных водоочистных
сооружений и всей станции в целом и т.п
В зависимости от поставленной цели для анализа
отбирают разовые или средние за определенный промежу-
ток времени (смена, сутки) пробы. Результаты анализа
выражают в мг/л, а для некоторых показателей в мг-экв/л.
84
Г л а в а 8. СОСТАВ И ПОКАЗАТЕЛИ
КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
Общее количество воды на Земле очень велико и со-
ставляет около 1,45 млрд. кмх Большая часть воды —
1,37 млрд, км3 — сосредоточена в Мировом океане,
оО млн км* приходится на долю подземных вод,
280 тыс. км3 — на долю озер, 1,2 тыс. км3 — на долю
рек, 24 млн. км3 заключено в ледниках. Остальную воду
составляют почвенная влага и пары атмосферы.
С водой неразрывно связана жизнь биосферы, человек
использует сс для удовлетворения физиологических пот-
ребностей, дтя хозяйственных целей. Огромное количество
воды потребляется для нужд сельского хозяйства и про-
мышленности. Однако не вся вода пригодна для исполь-
зования человеком. Для большинства видов потребления
необходима пресная вода, а ее запасы составляют менее
3% общего количества воды на Земле. Неравномерное рас-
пределение запасов пресной воды на планете и постоянный
рост водопотребления — основные причины, вызывающие
острый дефицит воды в ряде регионов. В связи с этим
рациональное использование
приобрели в последнее время
и охрана водных ресурсов
первостепенное значение.
23. ФОРМИРОВАНИЕ СОСТАВА ПРИРОДНЫХ ВОД
В качестве источников водоснабжения используются
пресные водоемы, как подземные, так и поверхностные. К
подземным относятся грунтовые, межплэстовые, ар-
тезианские, карстовые воды, состав которых определяется
условиями их образования. Так, состав грунтовых вод
зависит от возможностей питания их атмосферными осад-
ками, от характера почв и подстилаюших пород, с кото-
рыми контактирует вода, от санитарного состояния выше-
лежащих водоносных горизонтов. В формировании состава
артезианских вод решающее значение имеют глубинные
геологические структуры. Химический состав подземных
вод формируется в результате таких процессов, как вы-
щелачивание горных пород, растворение, сорбция, ионный
обмен и т.д. Защищенность артезианских водоносных пла-
стов обеспечивает постоянство состава воды и почти полное
отсутствие в них микроорганизмов.
85
Отличительной особенностью поверхностных природных
вод является непостоянство их состава по сезонам года.
На процесс формирования состава воды поверхностных
водоемов влияет множество факторов.
Важнейшие из них — взаимодействие атмосферных
осадков, попадающих в водоисточник, с загрязненным воз-
духом и почвенным покровом; биологические процессы в
водоеме с участием гидробионтов и деятельность человека
(регулирование речного стока, ирригация, судоходство,
сброс сточных вод и т.д.).
б природных водах обнаружено более половины изве-
стных химических элементов. По своей природе примеси
воды подразделяются на минеральные и органические, на-
ходящиеся в воде во взвешенном, коллоидном и истинно
растворенном состоянии.
Для подземных источников водоснабжения характерно
небольшое содержание или отсутствие органических приме-
сей, повышенная минерализация, иногда присутствие газов
(СО2, HiS, СН4).
Среди поверхностных источников водоснабжения
различаю! водоемы с малой минерализацией: содержание
солей до 200 мг/л, средней — 200—500 мг/л и повышен-
ной — 500—J 000 мг/л. Около 90% общего солесодержания
приходится на главные ионы: Na+, Са , Mg'\ К' и HCOJ,
SO< Cl' По классификации О.А. Алекина природные во-
ды в зависимости от преобладающего аниона подразделя-
ются на три класса: гидрокарбонатные, сульфатные и
хлоридные. Внутри класса выделяются группы с преобла-
дающим катионом: натриевая, кальциевая, магниевая.
В ионном составе pej< с малой и средней минерализацией
преобладают HCOj, Са* , Mg . Води источники лиги типа
распространены на севере и в средней полосе страны и пита-
ются главным образом за счет поверхностного стока.
В ионном составе рек и озер с повышенной мине-
рализацией преобладают SO£ СГ, Na*. так как они пита-
ются подземными водами. Такие водоемы распространены
в основном в засушливых южных районах.
Содержание органических веществ в новсрхнос гных во-
доемах изменяется в широких пределах. Органические веще-
ства образуются в самом водоеме (развитие водорослей) и
привносятся в него с ливнеьыми и талыми водами с площади
водосбора. Максимум органических веществ наблюдается
обычно в период паводков. Большая часть органических ве-
86
шесть представляет собой гумус. Водный гумус образуется в
процессе разложения остатков водных растений. Кроме того,
гумусовые вещества попадают в водоем в результате вымы-
вания их из почвы. Почвенный гумус состоит из нерастворимой
части и гуминовых и фульвокислот. Гуминовые кислоты с
молекулярной массой 1200— 1400 и содержанием углерода 52—
58 % могут образовывать в воде взвеси, коллоидные и истинные
растворы. Фульвокислоты — также высокомолекулярные со-
единения, содержат меньше углерода — 45—48%, более
диссоциированы и могут присутствовать в воде в коллоидном
и истинно растворенном состоянии.
Переходя из почвы в воду, гумусовые вещества
окрашивают ее в желтый или коричневый цвет в
зависимости ст их концентрации.
Следует отметить, что во всех подземных и поверхно-
стных водоисточниках качество воды разное. Нет двух
одинаковых по качеству воды рек, двух артезианских
скважин, двух колодцев. Более того, в каждом во-
доисточнике, особенно поверхностном, характер воды ме-
няется с течением времени.
С ростом урбанизации и промышленного производства,
химизации сельского хозяйства все большее влияние на
общую водную экологию оказывает антропогенный фактор,
т.е. фактор использования воды человеком.
24. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ПРИРОДНЫХ ВОД
Температура — физический показатель качества во-
ды. Температура воды поверхностных водоисточников в
зависимости от сезона года изменяется от 0 до 30°С. Под-
земные источники водоснабжения имеют относительно пос-
тоянную температуру 8—12°С. Для питьевых целей жела-
тельно иметь воду с температурой 7—15°С.
Температура влияет на вязкость воды и, следовательно,
на скорость осаждения взвешенных частиц.
Измеряется температура непосредственно при отборе про-
бы термометром с делениями до 0,1°С с точностью ±0,5°.
Реакция среды. Вода хозяйственно-питьевого назна-
чения должна иметь pH - 6,5—8,5. Такое требование свя-
зано с необходимостью удовлетворения физиологических
по ревностей человека и исключения коррозии материалов
труб и сооружений. Для большинства природных во-
доисточников величина pH не выходит за эти пределы.
87
Значение pH определяют электрометрически со стек-
лянным и каломельным электродами. Допускается изме-
рение с набором буферных смесей в качестве стандартных.
Величина pH — мера активной реакции среды, или
активной кислотности, обусловленной присутствием в
растворе свободных ионов водорода. Для количественной
характеристики кислотности растворов пользуются также
понятием "общая кислотность", для выражения которой
служит нормальность, равная числу г-экв кислоты в
1 л. Общая кислотность называется титруемой или
аналитической, так как определяется титрированием
раствора щелочью. Активная кислотность составляет
только часть общей кислотности и тем большую, чем
выше степень диссоциации кислоты, присутствующей в
растворе.
Для характеристики растворов с величиной рН^ 4,5
кроме активной и общей кислотности определяют свобод-
ную кислотность, которая выражается числом г-экв
щелочи, необходимым для нейтрализации 1 л раствора до
pH - 4,5.
Цветность — показатель, обусловленный наличием в
воде гуминовых и фульвокислот и их растворимых солей,
а также присутствием соединений железа. Примеси, обус-
ловливающие цветность воды по степени дисперсности,
относятся ко второй и третьей группам.
Количество примесей в воде, обусловливающих цвет-
ность, зависит аг многих факторов и главным образом
от наличия торфяников в бассейне водоисточника. Цвет-
ность воды, имеющей большую концентрацию взвешен-
ных веществ, определяют после предварительного
отстаивания пробы или в фильтрате. При массовом
развитии водорослей в поверхностных водоемах вода
может приобретать различные оттенки, однако на
величину показателя "цветность" это не должно влиять,
так как при фильтровании воды клетки водорослей
задерживаются на фильтре.
Следует отмстить, что нет прямого соответствия между
цветностью и количеством4 органических веществ, вызыва-
ющих окраску. Поэтому степень цветности выражают не
в мт/л какого-то вещества, а в особых единицах и градусах.
Измерение производится путем сравнения пробы со стан-
дартным раствором, приготовленным из смеси солей хлор-
пл а ги на га калия KzPtCU и хлорида кобальта C0CI2
58
(платино-кобальтовая шкала). Окраска воды, соответству-
ющая окраске стандартного раствора, который содержит
0,1 мг платины в 1 мл, оценивается 1 град цветности. В
качестве стандартного можно применять также раствор,
приготовленный из бихромата калия и сульфата кобальта.
Цветность речных вод колеблется в больших пределах —
от 35 до 55 град, достигая в отдельных случаях 200 град
и выше,
Запахи и привкусы — органолептические показатели
качества воды. Запахи вызывают летучие пахнущие ве-
щества. Запахи и привкусы природной воды обусловлены
присутствием веществ естественного происхождения или ве-
ществ, попадающих в воду в результате загрязнения ее
стоками. Естественные запахи (землистый, гнилостный, бо-
лотный, сероводородный и т.д.) связаны, как правило, с
развитием в водоеме водорослей, плесеней, актиномицстов
и других водных организмов. Запахи искусственного
происхождения классифицируют как хлорный, фенольный,
аптечный и т.д. Вкус описывают как соленый, сладкий,
горький, кислый. Отмечают также особые привкусы —
щелочной, металлический и пр.
При определении запаха и привкуса сначала уста-
навливают их характер, а затем интенсивность, оценива-
емую по пятибалльной системе.
При выполнении анализа на запах и привкус обязательно
указывается температура, пос кольку интенсивность этих пока-
зателей увеличивается с повышением температуры.
Вода источников хозяйственно-питьевого снабжения
обычно имеет запах и привкус не выше 3—4 баллов.
Чаще всего питьевая вода не имеет вкуса. Воды под-
земных источников могут иметь солоноватый и горько-со-
лоноватый вкус вследствие содержания солей в высоких
концентрациях.
Мутность природной воды обусловлена присутствием
нерастворенных и коллоидных веществ неорганического
(глина, песок, гидроксид железа) и органического (илы,
микроорганизмы, планктон, нефтепродукты) происхож-
дения, т.е. примесями, относящимися по степени диспер-
сности к первой и второй группам.
Измеряют мутность различными методами, основан-
ными на сравнительной оценке исследуемой пробы со стан-
дартным раствором, мутность которого создается внесением
в дистиллированную воду стандартной суспензии диоксида
89
кремния S1O2. Результаты определения мутности выражают
в мг/л. В речных водах мутность выше, чем в подземных.
В период паводков мутность речных вод может достигать
десятков тысяч миллиграммов в 1 л. В питьевой воде мут-
ность. согласно действующим в нашей стране санитарным
нормам, должна быть не выше 1,5 мг/л.
Наличие в воде нсрастворенных и коллоидных примесей
можно оценить и по степени прозрачности пробы. Проз-
рачность определяют в цилиндрах из бесцветного стекла
высотой 30—50 см с плоским дном. Проба считается проз-
рачной, если через столб воды в цилиндре, помещенном
на расстоянии 2 см от контрольного текста, напечатанного
специальным шрифтом, можно прочитать текст и различить
указанные в нем цифры или же четко видеть крест, на-
несенный черными линиями толщиной 1 мм, с четырьмя
точками по полям. Высота столба воды в сантиметрах и
еоь прозрачность воды "по шрифту" или 'по кресту".
Для характеристики природных вод применяют и дру-
гой показатель — содержание взвешенных веществ. Под
взвешенными веществами понимается количество загряз-
нений, которое задерживается на бумажном фильтре при
фильтрации пробы (при атмосферном давлении или слабом
разрежении). Для фильтрования загрязненных вод исполь-
зуют самый пористый фильтр типа "белая лента", а при
исследовании воды с загрязнением не более 25 мг/л —
тонкие мембранные фильтры. Фильтр со взвешенными ве-
ществами высушивается при 105°С до постоянного веса, и
по разнице веса фильтра до и после фильтрации опреде-
ляется количество взвешенных веществ в воде.
Между количеством взвешенных веществ и прозрачно-
стью однозначной связи нет. Прозрачность определяется
наличием не только взвешенных частиц, но и коллоидных
примесей, которые не задерживаются бумажным фильтром,
а потому не включаются в состав показателя взвешенных
веществ. Кроме того, прозрачность зависит также от формы
и размеров частиц, что для показателя взвешенных веществ
значения не имеет. Несмотря на эти различия, для
ориентировочных определений (в целях упрощения эксплу-
атационного контроля) по результатам длительных наблю-
дений строят график зависимости прозрачности от количе-
ства взвешенных веществ, с помощью которого на осно-
вании быстро и легко выполняемого определения прозрач-
ности можно с достаточной степенью точности установить
90
Рмс. 18. Зависимость прозрачности "по
шрифту" от содержания взвешенных
веществ
ВЗВЕШЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА.мГм
количество взвешенных частиц в воде. Пример такой
зависимости для одной из рек средней полосы европейской
части России представлен на рис. 18.
Сухой остаток и потери при прокаливании. В практике
водоподготовки под сухим остатком понимают общую сум-
му неорганических и органических соединений в раство-
ренном и коллоидно растворенном состоянии. Сухой остаток
определяют выпариванием предварительно профильтрован-
ной пробы с последующим высушиванием при 105°С.
Потери при прокаливании определяют содержание в сухом
остатке органических веществ. Остаток после прокаливания
характеризует солесодержание воды.
Сухой остаток в воде источника хозяйственно-питьевого
назначения и в питательной воде не должен превышать
1000 мг/л, так как употребление человеком воды с повы-
шенным солссодержанием вызывает различные заболе-
вания.
Ионный состав. Как уже было сказано, общее солесо-
держание природных вод в большинстве случаев с доста-
точной степенью точности определяется катионами Na ,
К+, Са2+, Mg2+ и анионами НСОз, SO4, С1 . Остальные
ионы присутствуют в воде в незначительных количествах,
хотя их влияние на свойства и количество воды иногда
очень велико. Поскольку вода электронейтральна, то сумма
положительных ионов равна сумме отрицательных ионов:
[Na*] + [К*] + ICa2*] + lMg2T] -
- 1НСО3] + ISO2’] + [СГ].
Сульфаты, хлориды, силикаты. Естественное содер-
жание сульфатов в поверхностных и грунтовых водах обус-
91
ловлено выветриванием пород и биохимическими процес-
сами, происходящими й водоносных слоях.
По ГОСТу предельное содержание сульфат-ионов в воде
источников централизованною водоснабжения не должно
превышать 500 мг/л, но, как правило, в речной воде кон-
центрация сульфатов составляет 100—150 мг/л. Повышен-
ная концентрация сульфатов может свидетельствовать о
загрязнении источника сточными водами, в основном
производственными.
Хлориды являются составной часть большинства
природных вод. Содержание хлоридов естественного
происхождения имеет большой диапазон колебаний. Однако
в воде рек концентрация хлоридов невелика — она не
превышает обычно 10—30 мг/л, поэтому повышенное
количество хлор-ионов указывает на загрязнение источника
сточными водами. В воде источников централизованного
водоснабжения концентрация хлоридов не должна превы-
шать 350 мг/л.
Лимитирование верхнего предела концентраций суль-
фатов и хлоридов обусловлено тем, что более высокие
концентрации этих ионов придают воде солоноватый
привкус и могут вызывать нарушение в работе желудоч-
но-кишечного тракта у людей. При некоторых соотно-
шениях сульфатов и хлоридов вода становится агрессивной
по отношению к различным типам бетона.
Силикаты в растворе определяют лишь в тех природных
водах, где их содержание зависит от геологических условий
и присутствия некоторых организмом. В природных водах
кремниевая кислота может находиться в формах мета-
кремниевой H2SiOj (SiOz'H’O), ортокремниевой
H4SiO4.(SiO2 2НгО) и поликремниевой H2SiO5(2SiO2‘H2O)
кислот. Все эти кислоты при обычных для природных вол
значениях pH малорастворимы и образуют в воде кол-
лоидные растворы. Силикаты — нежелательная примесь в
воде, питающей котлы, так как дает силикатную накипь
на стенках котлов
Наличие нерастворенных силикатов (песок) в природ-
ных водах связано с атмосферными осадками, смываемыми
с территории населенных пунктов.
Соединения железа и марганца. Железо практически
всегда встречается и в поверхностных, и в подземных во-
дах; концентрация его зависит от геологического строения
и гидрогеологических условий бассейна. Соединения железа
92
в воде присутствуют в растворенной, коллоидной и нера-
створенной форме. В истинно растворенном состоянии Fe3+
может находиться в очень небольших концентрациях; не-
обходимым условием при этом является низкое значение
pH. Поскольку это условие для природных вод не харак-
терно, то большая часть Fcj4 присутствует в коллоидной
форме и в виде тонкой суспензии. В подземных водах
железо присутствует в фирме Fe2+. Двухвалентное железо
в воде в присутствии растворенного кислорода очень быстро
переходит в трехвалентную форму и образует малораст-
всримый гидроксид железа, выпадающий в осадок:
4Fc24 + 8НСО3 + 02 + 2Н2О >4Fc(OH)3i + 8СО2
Повышенное содержание железа в поверхностных водах
указывает на загрязнение их производственными сточными
водами. Высокое содержание железа вызывает отложение
осадка в трубах и их зарастание, а также ухудшает вкус
питьевой воды. Содержание железа в питьевой воде допу-
скается в количестве нс более 0,3 мг/л. Содержание мар-
ганца обычно меньше, чем железа. Так, для воды рек
средней части нашей страны количество железа варьирует
от 0,1 до 1 мг/л , а марганца — от 0 до 0,05 мг/л
Щелочность. Щелочностью называют содержание в во-
де веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами,
т.е. ионами водорода. Это одна из важнейших харак-
теристик природной воды.
На щелочность воды существенным образом оказывает
влияние состояние соединений углекислоты, которое поэто-
му следует рассмотреть более подробно.
Углекислота может присутствовать в воде в форме
недиссоциированных молекул Н2СО3 (в малых количест-
вах), молекулярно растворенного диоксида углерода СОг
и гидрокарбенатов (бикарбонатов) НСОз, если pH воды
менее 8,4, и в виде карбонатов СОг, если pH более 8,4.
Количественное соотношение между различными со-
единениями углекислоты определяется уравнениями
диссоциации первой и второй ступени. Константы
диссоциации первой и второй ступени К] и К2 зависят от
концентрации ионов водорода, поэтому существование
различных форм углекислоты в растворе определяется pH.
Из рис. 19 следует, что при pH - 3,7—4 вся находя-
щаяся в воде углекислота представлена только диоксидом
углерода СОг. По мере повышения pH доля СО2 умснь-
93
Рис. 19. Соотношения С Ch. НСОз и СО j в зависимости от pH
воды
шается, а следовательно, возрастает доля гидрокарбинатов.
При pH 8,3—8,4 практически вся углекислота находится
в виде гидрокарбинатов (98%), а на долю COz + СОз
приходится менее 2%. При дальнейшем повышении pH
(более 8,4) свободного СО2 в воде нет, а только гидро-
карбонат- и карбонат-ионы. При pH >12 в растворе нахо-
дятся только карбонаты.
Экспериментально щелочность определяют титрованием
соляной или серной кислотой последовательно с индикато-
рами фенолфталеином и метилоранжем. Окраска фенолф-
талеина при pH - 8,2—8,4 переходит из розовой в бес-
цветную. что совпадает с таким состоянием раствора, когда
в нем остаются лишь гидрокарбонаты. Метилоранж меняет
окраску при pH - 4—4,3, т.е. в момент, когда в растворе
остается свободный диоксид углерода СО2.
При титровании с фенолфталеином протекают реакции
нейтрализации гидроксильных ионов ОН' и карбонатных
ионов с образованием соответственно воды и гидрокарбо-
натов:
ОН' + Н4" - Н2О; СОз + Н+ -* НСОз.
Следовательно, расход кислоты на титрование с фенол-
фталеином эквивалентен содержанию гидроксидов и
половины карбонатов, так как последние нейтрализуются
только наполовину, до НСОз. Таким образом,
94
Ф - ЮН" | + 0,51 СОз],
где Ф — щелочность воды, мг-экв/л, (ОН'] и [СОз] — концентрации
гидроксильных и карбонатных ионов, мг-экв/л.
При дальнейшем титровании в присутствии метилоран-
жа происходит реакция нейтрализации гидрокарбонатов:
НСОз + Н+ — СОг + НгО.
Следовательно, весь расход кислоты от начала нейт-
рализации и до конца эквивалентен содержанию ионов:
М - [НО" ] + [СОз ].
Величина М. мг-экв/л, символизирует общую щелоч-
ность воды, а Ф — так называемую свободную щелоч-
ность, обусловленную наличием гидроксидов и половины
карбонатов.
Если pH воды ниже 4—4,3, то ее щелочность равна
нулю. Вода рек средней полосы европейской части страны
имеет pH - 7—8; щелочность этой воды обычно состав-
ляет 3—4 мг-экв/л.
Углекислотные соединения обусловливают и такое свой-
ство воды, как ее агрессивность, которая выражается в
разрушающем действии воды на металлы и даже на бетон
(подробнее это описано в разд. 4).
Жесткость. Общая жесткость воды Жо показывает кон-
центрацию катионов двухвалентных щелочноземельных ме-
таллов, главным образом кальция и магния.
В природных условиях эти элементы попадают в воду
вследствие воздействия углекислого газа на карбонатные
минералы, в также в результате биохимических процессов,
происходящих в почве.
Общая жесткость
Же - [Са2+]/20,04 + |Mg2*]/12,16.
где 20,04 и 12,16 — эквивалентные массы соответственно Са и Mg.
Различают жесткость карбонатную и некарбонатную.
Количество Са и Mg, эквивалентное содержанию гидро-
карбонатов НСОз, называется карбонатной жесткостью
Жк, Если количество гидрокарбонатов в воде превышает
содержание Са и Mg ([HCOj] [Са2+] + [Mg_T ]), то кар-
бонатная жесткость эквивалентна суммарному содержанию
Са и Mg. При [НСОЦ/61,02 - [Са2]/20,04 + [М?*]/12.16
Ж* - Жо - [Са2+1/20,04 + | Mg2+ ]/12,16.
Если же содержание ионов кальция и магния выше,
чем количество гидрокарбонатов, то карбонатная жесткость
95
равна концентрации [НСОз]. При [НСОз 1/61,02
[Са2+1/20,04 + [Mg2*]/12,16
Жк - [НСОз 1/61,02
Разность между общей и карбонатной жесткостью на-
зывается некарбонатной жесткостью:
/Жнк — Ж — Ж*,.
Следовательно, Ж11К — это содержание Са и Mg,
эквивалентное концентрации всех остальных анионов.
Результаты определения жесткости выражают в мг-
экв/л. В табл. 1 приведена классификация природных вод
по величине их жесткости.
Таблица 1 Степень жесткости природных вод
Характеристика водь! Жесткости mi экы/л Характеристика Виды Жесткость, мг-экв/л
Мягкая <4 Жесткая 8-12
Средней жесткости 4-8 Очень жесткая >12
Жесткость речных вод обычно невысока (1—6 мг-
экв/л), однако, воды рек, прорезающих толщу известковых
и гипсовых пород, отличаются повышенной жесткостью.
Воды подземных источников имеют более высокую жест-
кость, чем воды поверхностные,
Для питья допускается использование мягкой воды и
воды средней жесткости, так как наличие солей кальция
и магния в определенных пределах невредно для здоровья
и не ухудшает вкусовых качеств воды. Использование же
жесткой воды для хозяйственных целей вызывает ряд не-
удобств: образуется накипь на стенках варочной посуды,
увеличивается расход мыла при стирке, медленно раз-
вариваются мясо и овощи. Жесткость питьевой воды по
действующему стандарту должна быть не выше 7 мг-экв/л
и лишь в особых случаях допускается до 10 мг-экв/л. Для
производственных целей использование жесткой воды часто
совсем недопустимо. Так, жесткая вода не пригодна для
систем оборотного водоснабжения, для питания паровых
котлов, для производства высокосортной целлюлозы, искус-
ственного волокна и др.
96
Соединения азота и фосфора. Азот в воде может
находиться в органических соединениях — белковых и не-
белковых и неорганических — в виде аммонийного,
нитритного и нитратного
Повышенное количество азота в природной воде ь виде
органических соединений или в аммонийной форме свиде-
тельствует о загрязнении водоисточника сточными водами,
как бытовыми, так и производственными. Наличие же
окисленных форм азота, в особенности нитратов, позволяет
говорить либо о ликвидации внесенного загрязнения, т.е.
о закончившемся окислении аммонийных соединений, либо
о неорганическом их происхождении, т.е. об отсутствии
внешнего загрязнения вообще.
В речных водах содержание азота аммонийных солей
колеблется от 0 до I мг/л в зависимости от степени ее
загрязнененност и и не должно превышать 10 мг/л (по азо-
ту). Такой же предел установлен и для нитратов.
Фосфор в природной воде встречается в виде мине-
ральных и органических соединений в растворенном, кол-
лоидном и суспензированном состояниях.
Содержание соединений фосфора в чистых водоемах
ничтожно мало и обычно не превышает сотых долей мг/л.
Повышенное содержание фосфора наблюдается при смыве
удобрений с сельско-хозяйственных полей, при спуске сточ-
ных вод.
Перманганатная окисляемость — обобщенный показа-
тель, характеризующий содержание в воде легкоокисляе-
мых органических и некоторых неорганических соединений
(нитриты, сульфиты, железо двухвалентное). Под окисля-
емостью понимают количество кислорода, эквивалентное
расходу перманганата калия.
Артезианские воды имеют обычно окисляемость, не пре-
вышающую 1—2 мг/л, тогда как в поверхностных во-
доисточниках се значение может достигать 10—12 мг/л.
Повышение окислясмости в водоисточнике служит показа-
телем его загрязнения.
Растворенные газы. Б воде природных источников чаше
всего присутствуют кислород, диоксид углерода и серово-
дород.
В открытых незагрязненных водоемах количество рас-
творенного кислорода близко к насыщению и составляет
8—9 мг/л. Иногда фиксируются значения, превышающие
предел насыщения при температуре определения, что
97
свидетельствует о пересыщении воды кислородом, а также
о присутствии его в воде в свободном, а не в растворенном
состоянии Количество кислорода в поверхностных
источниках в верхних слоях выше, чем в глубинных, за
счет усиленной поверхностной аэрации и интенсивно про-
ходящих процессов фотосинтеза.
Сероводород содержится в некоторых подземных водах,
а его присутствие в поверхностных водах свидетельствует
о загрязнении источника сточными водами.
Соединения сероводорода в воде могут быть в виде моле-
кулярно растворенного HjS, гидросульфидов HS' и сульфидов
S. Соотношение между различными формами зависит от pH.
При наличии сероводорода и железа в воде образуется тон-
кодисперсный осадок сульфида железа FeS. Это явление можно
иногда наблюдать в тупиковых участках водопроводной сети
с малым обменом воды. В результате жизнедеятельности суль-
фатреду цирующих бактерий сульфаты переходят в сульфиды
и реагируют с ионами железа (см 16).
Сероводород — токсичный газ, придает воде
неприятный запах, в хозяйственно-питьевых водах его
присутствие не допускается.
Растворенные газы (О2, СО2, H2S) при определенных ус-
ловиях способствуют развитию корразии металлов и бетона.
Соединения фтора и иода. Содержанию этих соединений
придается большое гигиеническое значение при харак-
теристики природных и питьевых вод, поскольку как недо-
статок, так и избыток фтора и иода приводят к развитию
ряда заболеваний. Оптимальная концентрация фтора в питье-
вой воде составляет 0,7—1.2 мг/л, предельно допустимая
1,5 мг/л. При избытке фтора в природной воде ее приходится
обеефторивать, а при недостатке — фторировать. Суточная
потребность организма человека в иоде составляет 0.003 мг.
Токсичные соединения. К числу токсичных веществ,
присутствие которых в питьевой воде прото лимитируется,
отнесены бериллий, молибден, мышьяк, свинец, селен,
стронций, нитраты Определение их в воде, как правило,
производится в случаях, когда предполагается наличие этих
веществ в воде водоисточника. Кроме того, установлены
ПДК алюминия и полиакриламида, добавляемых к воде в
процессе обработки.
Необходимо отметить, что при обнаружении в воде не-
скольких токсичных веществ или веществ нетоксичных, но
влияющих на привкус воды, их суммарная концентрация,
98
выражаемая в долях от нормативов ПДК, нс должна быть
больше 1 Расчет, соответствующий этому требованию, ве-
дется по формуле
ci/C’i + С1/С2 + ... + сп/СпI, <13>
где Ci, С2 -Сп — обнар>женные в воле концентрации, мг/л; Ci, Ci,- Сп — ус-
тановленные ПДК, мг/л. *
Санитарно-бактериологические и гидробиологические
показатели. Микрона селе ни с природных вод чрезвычайно раз
нообразно. Его качественный и количественный состав опре-
деляется в первую очередь составом воды. Для глубоко зале-
гающих, очень чистых артезианских вод характерно почти
полное отсутствие бактерий вследствие защищенности водо-
носного слоя от контакта с лежащими выше горизонтами.
Особенностью состава воды открытых водоемов является
изменение его по сезонам года, сопровождающееся изме-
нениями в количестве и видовом разнообразии микрона-
селения. Бактериальная загрязненность поверхностных
источников обусловлена, главным образом, поступлением
в водоемы поверхностного стока, содержащего
органические, минеральные вещества и микроорганизмы,
смываемые с площади водосбора, и сточных вод.
С позиций санитарной микробиологии оценка качества
воды проводится с целью определения ее санитарно-
эпидемиологической опасности или безопасности для здо-
ровья человека. Вода играет важную роль в передаче воз-
будителей многих инфекций, главным образом кишечных.
Патогенные микроорганизмы попадают в воду с выде-
лениями людей и животных, при стирке белья, водопое
скота Через воду получают распространение брюшной тиф,
дизентерия, холера, инфекционный гепатит и т.д.
Прямое количественное определение возбудителей всех
инфекций для контроля за качеством воды неосуществимо ь
связи с многообразием их видов и трудоемкостью анализа. Б
практической санитарной микробиатогии поэтому прибегают
к косвенным методам, позволяющим определить
потенциальную возможность заражения воды патогенными
микроорганизмами.
Санитарно-бактериологическая оценка качества воды
основана на определении двух основных показателей,
микробного числа и числа бактерий группы Сой.
Первый показатель даст представление об общей обсеме-
нснности годы аэробными сапрофитами, поэтому часто назы-
99
вается общим счетом аэробных сапрофитов или (кратко)
общим счетом. Микробное число определяют методом посева
на стандартную среду — мясопептонный агар (МПА).
Аэробные сапрофиты составляют только часть общею
числа микробов в воде, но являются важным санитарным пока-
зателем качества воды, так как между степенью загрязнения
ее органическими веществами и микробным числом сущест-
вует прямая зависимость. Кроме того, полагают, чго чем выше
микробное число, тем больше вероятность присутствия в воде
патогенных микроорганизмов. Микробное число водопровод-
ной воды не должна превышать 100. В природных водах этот
показатель изменяется в очень широких пределах для разных
водоемов и ио сезонам года хзя одного и того же водоема. В
чистых водоемах чисто аэробных сапрофитов может
исчисляться десятками или сотнями, а в загрязненных и гряз-
ных водоемах составлять десятки тысяч и миллионы.
По второму показателю — числу бактерий группы Coli
(кишечная палочка) оценивают возможное присутствие в
воде патогенных микроорганизмов.
Бактерии группы Coll относятся к семейству энтеробак-
терий. Это неспороносныс палочки, факультативные анаэробы,
сбраживающие лактозу и глюкозу при температуре 37°С с
образованием кислоты и газа и не обладающие оксидазной
активностью. Они являются постоянными обитателями
кишечника человека и животных; постоянно и в большом
числе выделяются во внешнюю среду; дольше, чем патогенные
микроорганизмы, сохраняют жизнеспособность в этой среде;
более устойчивы к действию хлора, чем возбудители
большинства инфекций. Именно эти свойства бактерий группы
Coll обусловили возможность их использования в качестве
санитарно-показательных микр<юрганизмов. Наличие коли-
форм в воде говорит о ее фекальном загрязнении, а их числ, •
позволяет судить о степени этого загрязнения. Для количес-
твенного определения кали-форм применяют фуксин-су-
льфитный агар (среда Эндо).
Анализ водопроводной и чистой природной воды про-
водят после предварительного концентрирования воды на
мембранных фильтра*. Результаты выражают в виде коли-
индекса — чиста бактерий в 1 л воды. Иногда делают
пересчет, определяя кали-титр — наименьший объем воды
(в мл), содержащий одну кишечную палочку. Коли-
титр - 1000/коли-индскс.
100
Кали-индекс водопроводной вады должен быть не более
3. Лопусти мы й коли-индекс воды источников водоснабжения
зависит от предполагаемого способа очистки. Если намечается
только хлорирование воды, то коли-индекс воды в источнике
не должен превышать 1000: при полной очистке воды —
10 000.
В особых уеливиях по санитарно-эпидемиологическим
показателям прибегают к определению в воде энтерокок-
ков, энтсровирусов, сальмонелл и проводят исследования
воды на патогенную микрофлору.
Поверхностные источники водоснабжения помимо
санитарно-бактериологических тестов характеризуются так-
же данными гидробиологических наблюдений. Микро-
скопированием пробы воды определяется число клеток
фито- и зоопланктона. Эти показатели существенно изме-
няются по сезонам — как по количеству организмов, так
и по их видовому разнообразию.
В весенне-летний период интенсивного развития водорос-
лей (цветения водоема) содержание фитопланктона в повер-
хностных водах может достигать 50 тыс. клеток в 1 мл- Летом
зоопланктон отличается большим разнообразием и представ-
лен низшими ракообразными, коловратками, личинками мол-
люска дрейсссны. В воде могут оказаться и бентосные
организмы: черви, личинки насекомых. В зимний период в
воде встречаются, в основном, низшие ракообразные. Число
организмов зоопланктона обычно выражают числом экземп-
ляров в 1 воды. В воде источников встречаются также
организмы, видимые невооруженным глазом. Их число
оценивают числом экземпляров в 1 м3. Для рек средней полосы
европейской части нашей страны концентрация зоопланктона
составляет 100 — 10 000 экз. в 1 м3 воды. Обычно их в
несколько раз меньше, чем организмов зоопланктона.
В питьевой воде планктонные организмы, так же как
организмы, видимые невооруженным глазом, должны отсут-
ствовать.
Г л а в а 9. СОСТАВ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
СТОЧНЫХ ВОД
Использование воды человеком для удовлетворения бы-
товых и производственных нужд, в сельском хозяйстве,
производстве электроэнергии практически всегда сопровож-
101
дается ее загрязнением, а неизбежный возврат этой воды
в источники, в свою очередь, приводит к загрязнению
природных вод и нарушению естественного равновесия в
циклах круговорота углерода и азота.
25. ХАРАКТЕРИСТИК А СТОЧНЫХ ВОД
Воды, удаляемые после их использования, называют
сточными. Более полно сточной водой (или сточной
жидкость) называется использованная на бытовые или
производственные нужды вода, получившая при этом за-
грязнения, изменившие ее первоначальный химический со-
став или физические свойства (или одновременно и то и
другое), и подлежащая удавлению с территории населен-
ного пункта или промышленного предприятия.
Б зависимости от происхождения, вида и качественной
характеристики примесей сточные воды подразделяют на
три основные категории: бытовые (иначе хозяйственно-
фекальные), производственные и ливневые.
К бытовым относятся воды от кухонь и туалетных комнат,
бань и прачечных, предприятий общественного питания и ле-
чебных учреждении, воды от мытья помещений. Они посту-
пают от жилых и общественных зданий и от бытовых поме-
щений промышленных предприятий. По природе загрязнений
они мшут быть фекальные, загрязненные, в основном
физиологическими выделениями людей, и хозяйственные, за-
грязненные всякого рода хозяйственными отбросами. Основ-
ную часть органических загрязнений бытовых сточных вод
составляют белковые вещества, жиры, углеводы и продукты
их разложения. Неорганическую часть загрязнений составляют
соли, присущие питьевой воде и образующиеся в процессе
обменных реакций в организме человека. D частности, к про-
дуктам обмена веществ относятся фосфаты и аммонийные
соли — продукт гидролиза мочевины. К неорганическим
примесям сточных вод относятся также песок и глинистые
частицы, попадающие в бытовые воды от мытья овощей и
фруктов, уборки помещений и т.д. Загрязнения органической
природы составляют 45—58% общей массы загрязнений бы-
товых сточных вод.
Особую категорию составляют биологические загряз-
нения: разнообразные микроорганизмы, в том числе и пато-
генные, и яйца гельминтов. Эти загрязнения попадают в
систему водоотведения с физиологическими выделениями
людей, с водой от ванн и кухонь.
102
Отличительная особенность бытовых сточных вод —
относительное постоянство их состава, так как от каждого
жителя в систему водоотведения поступает в среднем пос-
тоянное количество определенных загрязнений (г/сут).
В совокупности загрязнения бытовых сточных вод пред-
ставляют собой полноценный субстрат для гетеротрофных
бактерий, поэтому для их очистки, как правило, применяют
биологические методы.
К производственным сточным водам относят воды,
использованные в технологическом процессе производства
и не пригодные для вторичного использования. Состав
производственных сточных вод очень разнообразен и
зависит от вида производства, а также от принятого тех-
нологического процесса.
Производственные сточные воды могут содержать преиму-
щественно органические или неорганические примеси, или их
смесь; иметь в своем составе токсичные соединения, ценные
вещества, специфические виды микроорганизмов, используе-
мых в промышленности. Разнообразие состава и характера
загрязнений производственных сточных вод обусловливает
применение для их очистки различных мегодов, как
химических и физико-химических, так и биологических.
Ливневые воды образуются в результате выпадения ат-
мосферных осадков. К ним относятся также талые воды, обра-
зующиеся при таянии льда и снега. Отличительной чертой
ливневого стока является его эпизодичность и резкая нерав-
номерность по расходу и качеству воды. Воды от поливки
улиц, от фонтанов и дренажей по качественной характеристике
загрязнений близки к ливневым и удаляются вместе с ними.
В составе ливневых сточных вод много песка, глины,
мусора, нефтепродуктов, смываемых с улиц города. Ливне-
вые воды с территории промышленных предприятий могут
содержать специфические примеси, характерные для того
или иного производства.
В специальной литературе часто фигурирует термин "го-
родские сточные воды". Под городскими сточными водами
понимают смесь всех трех видов вод при общесплавной системе
канализации или бытовых и производственных при раздельной
системе. На городских очистных станциях вода последова-
тельно проходит сооружения механической, биологической
очистки и дезинфицируется. Для обеспечения нормальной
работы этих сооружений к городским сточным видам предъ-
являются ряд требований, выполнение которых обеспечивается
103
постоянным контролем за СТОЧНЫМИ ВОЛАМИ сромьпнтсннык
предприятий, подключенных к водоотводяшей сети города.
26. ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СТОЧНЫХ ВОД
Температура. Креме влияния на процессы осаждения
температура является также важным технологическим
параметром биологических процессов очистки, так как от
нее зависят скорость биохимических реакций и раст-
воримость в воде кислорода, необходимого для жизнедея-
тельности микроорганизмов.
Определяют температуру так же, как и в анализе
природных вод. Как правило, температура сточных вод вы-
ше, чем природных.
Окраска. Бытовые сточные воды, как правило, окрашены
слабо. Интенсивная окраска показывает наличие производст-
венных сточных вид, особенно oi предприятий легкой про-
мышленности, где в большом количестве используются раз-
нообразные красители. Окраска определяется в фильтрован-
ных пробах в цилиндрах из бесцветного стекла и описывается
на основе визуального наблюдения; розовая, слабо-желтая,
буроватая и т.п. Интенсивность окраски характеризуют сте-
пенью разбавления исследуемой воды дистиллированной, при
которой окраска исчезает. Результат записывают отношением,
например 1:500 (где 1 — 1ч. исследуемой пробы, 500 — сум-
ма 499 ч. разбавляющей воды и 1 ч. исследуемой).
Запах. Запах бытовых стоков довольно характерен и
представляет собой смесь запахов фекалий и разложений
органических веществ. Запах производственных стоков
весьма разнообразен и зависит от вида производства. Для
сточных вод описание запаха наиболее важно при появ-
лении новых, ранее не встречавшихся оттенков, а также
при резком возрастании интенсивности запаха, что свиде-
тельствует о залповом сбросе концентрированных сточных
вод отдельными производствами.
Запах определяется так же, как и при анализе природ-
ных вод. Сначала определяют характер запаха, затем по
пятибалльной системе оценивают его интенсивность.
Прозрачность — показатель степени обшей загрязнен-
ности воды. Прозрачность городских сточных вод обычно
не превышает 3—5 см. Сточные воды после биологической
очистки имеют прозрачность более 15 см. Прозрачность
сточных вод определяется по шрифту.
им
Реакция среды. Сточные воды, сбрасываемые в систему
водоотведения юрода, должны иметь значение pH в пре-
делах 6.5—8,5. Требование обусловлено тем, что кислые
и щелочные сточные воды разрушающе действуют на ма-
териал коллекторов и могут нарушать биохимические про-
цессы очистки сточных вод.
Сухой и плотный остатки. В отличие от анализа
природных вод сухой остаток сточных вод определяют из
натуральной (нефильтрованной) пробы, поэтому он явля-
ется показателем суммарного содержания загрязнений во
всех агрегатных состояниях.
Плотный остаток определяется из фильтрованной пробы
и показывает содержание веществ в коллоидном и истинно
растворенном состоянии. В сточных водзх, поступающих на
сооружение биологической очистки, плотный остаток не дол-
жен превышать 10 г/л, так как жизнедеятельность микроор-
ганизмов в более минерализованной среде нарушается. Опре-
деления приводят, как и в анализе природных вод
Взвешенные вещества — одна из важнейших харак-
теристик состава сточных вод. Этот показатель использу-
ется для расчета первичных отстойников и для определения
количества образующихся осадков.
Концентрация взвешенных веществ в городских сточ-
ных водах составляет 100-500 мг/л. С достаточной сте-
пенью точности этот показатель может быть определен как
разность сухого и плотного остатков.
Оседающие вещества — часть взвешенных веществ, ко-
торые оседают на дно отстойного цилиндра за 2 ч отстаивания
е покое. Длительность отстаивания, равная 2 ч, определена
на основании экспериментальных наблюдений, которые пока-
зали, что дальнейшее увеличение продолжительности процесса
практически нс изменяет результата, достигнутого за это вре-
мя. В городских сточных водах оседающие вещества составляет
65—75% взвешенных веществ по массе.
В повседневной контрольной практике для определения
оседаюших веществ используют цилиндры Лисенко объемом
0,5 или I л. Нижняя часть цилиндра представляет собой
пробирку с тонкой градуировкой до 0,1 мл. Количество
оседающих веществ в юродских сточных водах обычно не
превышает 6—7 мл/л. После 2 ч отстаивания верхнюю
часть отстоявшейся жидкости декантируют, а нижнюю с
осевшими веществами переносят в стакан и определяют
оседающие вещества по массе, так же как и взвешенные
105
вещества. Таким образом, концентрацию оседающих ве-
ществ выражают по объему (мл/л) и по массе (мг/л).
Потери при прокаливании, зольность твердых примесей.
Для многих технологических целей нужно знать содержание
органической и минеральной частей твердой фазы воды. В
этом случае высушенная твердая фаза любого определения
(взвешенных веществ, оседающих веществ, сухого или плот-
ного остатка) подвергается прокаливанию. Прокаливание про-
водят при температуре "красного" каления (500—6ОО°С). Вы-
горают, т.е. улетучиваются в виде оксидов, углерод, водород,
азот, сера и другие примеси. Остаток, называемый золой,
после охлаждения взвешивают. Результаты выражают либо в
абсолютных цифрах, либо в процентах. Потери при про-
каливании — это абсолютное количество улетучившихся
примесей; показатель выражается в мг/л. Зольность — отно-
шение массы остатка после прокаливания к массе первона-
чально взятого твердого образца, выражается в процентах.
Зольность взвеси городских сточных вод обычно находится в
пределах 25— 35%.
Химическая окисляемость определяет общее содер-
жание в воде восстановителей — органических и неор-
ганических, реагирующих с окислителями. В сточных водах
преобладают органические восстановители, поэтому, как
правило, всю величину окисляемости относят к
органическим примесям воды.
Химическую окисляемость определяют с использо-
ванием в качестве окислителей бихромата калия К2СГ2О7
(бихроматная окисляемость) или йодата калия КЮз (йодат-
ная окисляемость). Бихроматную и йодатную окисляемость
иначе называют химической потребностью в кислороде или
ХПК. Это название точно отражает сущность определения
окисляемости, так как оценивается количество кислорода,
необходимое для окисления примесей воды, т.е. для пере-
вода С в СО2, Н в Н2О, N в NH3 и т.д.
Различают ХПК теоретическую, вычисляемую по
стехиометрическому уравнению окисления (для чего дол-
жен быть известен химический состав примесей), и экс-
периментальную, определяемую с использованием бихро-
мата или йодата калия.
Теоретическая или расчетная ХПК органического ве-
щества CxHyOjN подсчитывается следующим образом: со-
ставляется уравнение окисления и затем рассчитывается
106
количество кислорода, требуемое для окисления I мг ве-
щества (мг О?/мг):
CxHjOzN + (к + у/4 - z/2 — 3/4)02 - хСОг +
+[(у - 3)/2]НгО + NH3;
(X + у/4- z/2 - 3/4)32
ХПК =---------------------------.
12х + 1 у + 16z + 14
Экспериментальная ХПК часто меньше теоретической,
поскольку ряд органических вешеств (красители, СПАВ,
сложные углеводороды и др.) либо вовсе не окисляются
бихроматом и йодатом в условиях определения, либо
окисляются нс до конца. Например, расчетная ХПК толу-
ола СвН$СНз (мг Ог/мг):
СбН5СН3 + 90з - 7С0г + 4НгО;
ХПКС6НЧСН3= (9-32)/(12 7 + 1 8) =3,14.
Экспериментальная ХПК толуола составляет
1,86 мг Ог/мг. Расхождение объясняется тем, что в условиях
определения бензольное кольцо не разрушается до конца.
Биохимическая окисляемость определяет содержание в
воде органических примесей, которые могут быть окислены
биохимическим путем. Окисление осуществляют аэробные ге-
теротрофные бактерии. По аналогии с ХПК окисляемость с
использованием окислительной способности бактерий называ-
ют биохимической потребностью в кислороде, или БПК.
Значительное число бактерий — облигатных аэробов и
факультативных анаэробов — способно существовать за счет
использования загрязнений (примесей) воды в качестве
источника питания. При этом часть использование
органических веществ расходуется на энергетические нужды,
а другая часть — на синтез тела клетки. Часть вещества,
расходуемая на энергетические потребности, окисляется клет-
кой до конца, т.е. до СОг. НзО, МНз. Продукты окисления —
метаболиты — выводятся из клетки во внешнюю среду. Ре-
акции синтеза клеточного вещества идут также с участием
кислорода. Количество кислорода, требуемого микроор-
ганизмам на весь цикл реакции синтеза и получения энергии,
и есть БПК.
В результате жизнедеятельности бактерий сточная вода
очищается от исходных органических примесей, однако в
107
ней остаются некоторые органические вещества, малодо-
ступные или совсем недоступные бактериям для усвоения,
и, кроме того, вода получает новые загрязнения —
органические и неорганические — метаболиты.
Существует несколько способов аналитического изме-
рения БПК — метод разведения, нитратный, хлораторный,
распирометрический и др. На практике чаше всего приме-
няют метод разведения. 1 часть сточной воды смешивают
с п частями разбавляющей воды, смесь до предела насы-
щают растворенным кислородом путем продувки или
встряхивания, разливают в инкубационные склянки и тща-
тельно их герметизируют. Склянки оставляют в термостате
при температуре 20С на 5 сут или более. В склянке
развивается сообщество микроорганизмов; величина умень-
шения кислорода в склянке, умноженная на степень раз-
ведения, даст численную величину БПК.
Максимально возможное растворение кислорода в воде
определяется в основном температурой. При температуре
20°С в дистиллированной воде растворяется 9,17 мт Ог/л.
Присутствие относительно небольшого количества
рахтичных примесей в инкубируемой смеси практически
не снижает этого предела.
Определение БПК считают правильным, если к концу
периода инкубации в склянке остается от 3 до 5 мг О1/л.
Если к концу инкубации поглощено меньше 4 мг/л кислорода,
то в последующих определениях разбавление уменьшают, если
больше 6 мг/л, — увеличивают. Когда ожидаемая БПК
приблизительно известна, степень разбавления нетрудно ус-
тановить примерным расчетом. Можно принять, что в среднем
потребление кислорода должно составлять 5 мг/л. Делением
ожидаемой БПК на 5 получают необходимую степень разбав-
ления исследуемой пробы. Для очень чистой воды с БПК
менее 5 мг/л разбавление не требуется. Величина БПК ука-
зывается с индексом внизу, который означает длительность
инкубации. Например, БПК5 — количество кислорода, пот-
ребленное за 5 сут инкубации; БПК| — то же, за t сут.
Иногда указывается степень разбавления (что очень полезно
для контроля правильности ее подбора) в виде отношения
1:(л + 1). Например, запись БПКза.юо) означает, что опре-
делена пятисуточная БПК при разведении одной части сточной
воды 99 частями разбавляющей воды.
Разбавляющую воду готовят на основе дистиллирован-
ной воды, в которую добавляют фосфорные и аммонийные
108
соли, хлорное железо, хлористый кальций и сернокислый
магний. В сумме все соли составляют устойчивую буферную
систему, которая позволяет поддерживать постоянное зна-
чение pH в течение любого периода инкубации, не изме-
няющееся от выделения в раствор СОг. Фосфорные и ам-
монийные соли, кроме того что они создают буферную
среду, необходимы и в качестве элементов питания, если
анализируются производственные стоки или природные во-
ды, в которых эти элементы отсутствуют.
Существенный элемент разбавляющей воды — так назы-
ваемая бактериальная затравка. Бактериальная затравка —
это жидкость, содержащая культуру или смесь культур бак-
терий, способных разлагать органические вещества исследуе-
мой воды. Когда анализируют городские сточные воды, вне-
сения бактериальной затравки не требуется, поскольку в этих
водах всегда содержится большое число сапрофитов, способных
развиваться за счет примесей. При исследовании же растворов
шитых химических веществ, производственных сточных вод
или же природных и глубоко очищенных сточных вод искус-
ственное заражение требуется. Обычно в качестве заражающей
воды используют более или менее очищенную бытовую сточ-
ную воду из расчета 0,5 — J мг на 1 л разбавляющей воды.
Расход кислорода на окисление внесенных с затравкой до-
полнительных загрязнений вычитается из общею расхода
кислорода и в величину БПК исследуемой воды, таким обра-
зом, не входит.
Еще одним элементом разбавляющей воды является
ингибитор процесса нитрификации. Расход кислорода на
нитрификацию (т.е. на окисление азота аммиака) в величину
БПК не включается. Однако при анализе слабозагрязненных
сточных вод, когда концентрация С-содержащих веществ мала,
к концу 5-суточного периода инкубации пробы эти вещества
оказываются полностью израсходованными и в склянке
усиленно развиваются процессы N-окисления, осуществляе-
мые автотрофной микрофлорой. Расход кислорода на N-
окисление достаточно велик и при малом расходе кислорода
на С-окисление вследствие малой концентрации С-содер-
жащих веществ ошибка за счет нитрификации может оказаться
существенной.
Чтобы избежать этой ошибки, в инкубационную склянку
вводят такие вещества, которые, не препятствуя развитию
С-окисляющей микрофлоры, ингибируют развитие N-окисля-
ющей микрофлоры (Nitrosomonas, Nitrobacter). В качестве
109
Рис. 20- Графическое определение
БПКвом
! — БГГКпбли; 2 — потребление кислоро-
да на N-окисление; J — то же, на С
окисление
ингибиторов используют метиленовую синюю, тиомочевину
и другие вещества. Однако известно, что нет такого ингибитора
N-окисления, который не оказывал бы одновременно угнета-
ющего действия и на С-окислителей. Следствием этого явля-
ются заниженные результаты БПК пробы, поскольку в склян-
ках слабо развиваются бактерии, ведущие С-окисление В
связи с этим нередко пользуются проведением эксперимента
без введения ингибитора, изучают динамику изменения БПК
по времени и рассчитывают требуемую величину с использо-
ванием графика (рис. 20). Этот график позволяет определить
величину БПКпалн, т.е. суммарное потребление кислорода бак-
териями на получение энергии и синтез клеточного вещества.
Величина БПКпалн замечательна тем, что она практически
точно совпадает с истинным расходом кислорода на процесс
очистки в действующих сооружениях. В склянках процесс
длится несколько суток, в сооружениях — несколько часов,
что объясняется различной концентрацией микроорганизмов
в этих системах. В склянках она составляет микрокодичестна,
а в сооружениях — макроколичества. Разница в концент-
рациях бывает в несколько миллионов раз.
Таким образом, величина БПКпалн — важнейшая тех-
нологическая характеристика процесса биологической
очистки воды в любых биоокислителях.
Экспериментально БПКпалн определяют по появлению
следов нитритов или нитратов. Для получения БПКпалн тре-
буется длительный период инкубации, продолжительность ко-
торого зависит от характера исследуемых примесей, концен-
трации бактерий, степени их адаптации. Обычно он больше
5 сут и может доходить до 30—40 сут. Для городских сточных
вод он достигает примерно 8—15 сут. Поскольку вести опе-
ративный контроль за работой сооружений, получая резуль-
таты анализов только через 8—15 дней,крайне неудобно, то
выполняют определение БПКз, которая принята в качестве
но
стандартной характеристики почти во всем мире (в
Финляндии — БПКл). Следует помнить, что БПКполн —
объективная величина, характеризующая степень загрязнения
воды. Продолжительность периода инкубации, обеспечиваю-
щего получение БПКподи, зависит от условий инкубации, но
величина БПКнслн от этих условий нс зависит. В то же время
БПК5 — лишь неопределенная часть БПКполн, зависящая от
характера окисляемых веществ и условий инкубации пробы.
Математическое описание процесса потребления
кислорода при определении БПК. Кривые зависимости
БПК от времени инкубации имеют сложный характер. Для
удобства проведения технологического контроля использу-
ется наиболее простое математическое описание этой
кривой (до начала нитрификации) по уравнению
БПК, - БПКполн (1 — 10-kt), (14)
met — константа скорости реакции, сут"*; t — длительность инкубации, сут.
Уравнение (14) можно переписать относительно t:
БПК м
t = 1/klg---___________
Определим из уравнения (15) время достижения
БПКполн при условии БПК/ - БПКполн;
Б^ноли
t = 1/k 1g--------> .
О
(15)
Таким образом, исходя из формулы (14) невозможно по-
лучить БПКполн за какое-то определенное время, а это
противоречит экспериментальным наблюдениям и является
результатом недостаточно точного математического описания
процесса.
Для практического использования уравнений (14) и (15)
вводят ограничение, по которому за БПКполн принимают 90%
ее величины. За время достижения БПКполн принимается вре-
мя, в течение которого процесс закончился на 99%:
БПКг - 0,99БПКполл;
‘ - VK ЬПКЛОЛН <БПКПОЛН - 0.99СПКЛОЛН|- 2/к.
Время достижения БПКполн есть функция константы
скорости процесса окисления; зависимость обратно
in
пропорциональная и имеет вид гиперболы. Эксперименталь-
ные наблюдения показали. что к зависит от характера
окисляемых веществ: для городских сточных вод она, как
правило, изменяете» от 0,15 до 0,25 сут'1, а для
биологически очищенных — от 0,08 до 0,12 сут'1.
Время достижения БПКпилн в зависимости от величины
имеет следующие значения:
А, сут*1...........0.Q5 0.1 0.15 0,2 0.25 0.3 0,4
Время достижения
ЬПКполи, сут........40 20 13,3 10 8 6,7 5
В практике очистки сточных вод весьма прочно уко-
ренилось неверное представление о том, что БПК|ЮЛн всегда
равна Б ПК 20. Это справед ливо лишь в одном частном случае
при А - 0,1 сутЛ Такое значение константы может иметь
уже очищенная вода.
Если характер сточной воды изучен подробно и величина
к известна из экспериментальных наблюдений, то можно
вычистить коэффициент пересчета БПКз в БПКпалн:
к._в^полн_._________J_____
БПК5 1 _ ю-5к
Если принять для городских сточных вод к, равной
0,17, а для очищенных сточных вод — 0,08, то ко-
эффициент пересчета будет:
для городских сточных вод
1
к =--------------= 1,16;
1 - Ю“5-0,17
для очищенных сточных вод
1
К =----------------= 1.67.
_ -Jg-5'0,08
Важным показателем, характеризующим способность
загрязнений сточных вод к биохимическому окислению,
является отношение БПКподн/ХПК. Чем выше это отно-
шение, тем большая часть органических примесей сточной
воды может быть изъята в процессе биологической очистки.
Считается, что применение биологических методов целе-
сообразно при БПКполн/ХПК5^0,5.
112
Соединения азота и фосфора. При анализе сточных
вод определяют азот общий, аммонийный, нитритный,
нитратный. Показатель "азот общий" определяет содер-
жание в воде органического и неорганического азота.
Окисленные формы азота в неочищенных городских водах
отсутствуют и появляются только в случае глубокой
биологической очистки сточных вод.
Определению азотных и фосфорных соединений в сточных
водах придается очень большое значение, поскольку азот и
фосфор — важнейшие элементы питания бактерий (см. 15).
Как известие, одним из основных способов очистки сточных
вод является биолщ и четкий, осущестиляемый микроор-
ганизмами (бактериями, простейшими, водорослями и т.п.),
которым создаются оптимальные условия для их существо-
вания и развития: по количеству подаваемого питания, тем-
пературе, кислородному режиму, степени смешения и др. До-
статочность элементов питания для бактерий я биологических
сооружениях определяется отношением основных показателей
анализа БПКПалн:Ы:Р. Здесь буквой N обозначен азот в ам-
монийной форме, а буквой Р — фосфор в виде растворенных
фосфатов. В каждом конкретном случае это соотношение
индивидуально, так как оно определяется составом пр^
Аудируемых клеток, который в свою очередь, зависит от со-
става очищаемой воды. .
Если азота и фосфора меньше, чем требуется для
очистки воды определенного состава, то их добавляют в
виде фосфатов и хлористого аммония. Добавление солей
для биологической очистки может быть необходимо только
при обработке производственных сточных вод. В бытовых
же водах, доступных бактериям, азота и фосфора всегда
достаточно. Аммонийный азот образуется в большом
количестве при гидролизе мочевины; кроме того, азот бел-
ковый в результате процесса аммонификации также пере-
ходит в аммонийную форму.
Что касается соединений фосфора, то следует заметить,
что в физиологических выделениях человека его достаточно
много (о роли фехфорных соединений в физиологии микро-
организмов см. гл. 5). В последние годы количество фос-
фатов в сточных водах резко возросло в связи с тем, что
в составе многих синтетических поверхностно-активных ве-
ществ (СПАВ) до 40% их массы составляют полифосфаты.
Сульфаты и хлориды. Концентрация сульфатов в го-
родских сточных водах обычно находится на уровне 100-
113
150 мг/л, хлоридов — 150—300 мг/л. В сооружениях аэроб-
ной очистки эти показатели не претерпевают каких-либо
изменений и их количество не имеет существенного значения,
если общее солессаержание не превышает установленного пре-
дела. Концентрацию хлоридов важно знать при определении
ХПК, так как хлориды окисляются бихроматом калия до мо-
лекулярного хлора. Поэтому при концентрации хлоридов более
200 мг/л требуется их предварительное осаждение или вве-
дение поправки к результату анализа ХПК.
Синтетические поверхностно-активные вещества.
СПАВ — группа химических соединении, присутствие кото-
рых в сточных водах особенно угрожает санитарному состо-
янию водоема (водоприемника) и резко отрицательно сказы-
вается на работе очистных сооружений. Появляются СПАВ в
сточных водах в результате широкого применения их в быту
и промышленности в качестве моющих средств, а также
смачивающих, эмульгирующих, выравнивающих,
дезинфицирующих препаратов. Наибольшее применение
СПАВ находят в нефтяной, текстильной и кожевенной про-
мышленности. В бытовых моющих средствах содержание
активного агента достигает 20—30%.
Большинство СПАВ — органические вещества, состоящие
из двух частей: гидрофобной и гидрофильной. Гидрофобная
часть СПАВ соединена обычно с одной гидрофильной группой.
В зависимости от физико-химических свойств гидрофильной
части СПАВ делятся на три основных типа: анионоактивные,
хатионоактивныс, не ионе го иные. Каждый тип в свою очередь
делится на классы в зависимости от химического едктава гидро-
фобной части.
Примерно 75—80% всех СПАВ, применяемых в быту
и промышленности. составляют анионоактивные. Важ-
нейшим из них являются; алкилсульфаты с общей форму-
лой R—О—SOjNa (где R — углеводородный радикал с
числом углеродных атомов от 10 до 20); алкиле ул ьфонаты
R—SOjNa (с числом углеродных атомов 12—15) и
ал к ила рил су л ьфонаты R—СбНд—SOjNa (с числом углерод-
ных атомов в радикале 5—18).
К атио позитивные СПАВ в основном представлены
нитрилами, аминами и четвертичными основаниями аммония.
Например, поверхностно-активный амин может иметь фор-
мулу
114
R. '
R—CO—NH—CH2—N С ' •
*2
На втором месте по выпуску и использованию после
анионоактивных веществ находятся неионогенные СПАВ.
Поверхностно-активные вещества этого типа получают
конденсацией окиси этилена с жирными кислотами,
алкилфснолами, жирными спиртами, меркаптанами и т.д.
Если гидрофобной частью является жирная кислота, СПАВ
имеет формулу R—СОСХСгНчОлН.
Присутствие СПАВ в сточных водах снижает способность
взвешенных веществ к оседанию, тормозит биохимические
процессы, способствует возникновению пены в сооружениях
и водоемах. Наличие СПАВ в водоемах ухудшает процессы
их самоочищения от остаточных загрязнений, вносимых с
очищенными водами. Содержание анионных СПАВ в природ-
ной воде допускается не более 0,5 мг/л.
Вне зависимости от типа СПАЕ рассматривают в трех
категориях по отношению к степени биохимической окисля-
емости этих веществ: "мягких" СПАВ — с удалением и
окислением в биологических сооружениях 75—85%, "про-
межуточных" — 60% и "жестких" — менее 60%. Нормами
предусматривается, что на сооружения биологической
очистки может поступать вода с содержанием "мягких" и
"промежуточных" СПАВ не более Ю—20 мг/л; сброс в ка-
нализацию "жестких" СПАВ нс допускается.
Растворенный кислород. В загрязненных сточных
водах либо растворенного кислорода не бывает совсем,
либо его концентрация не превышает 0,5—1 мг/л. Опре-
деление количества растворенного кислорода имеет
смысл при характеристике очищенных сточных вод и
оценке степени насыщения растворенным кислородом
биоокислитсля. Минимальное содержание кислорода для
нормальной жизнедеятельности микроорганизмов состав-
ляет 2 мг/л.
Очищенные сточные воды, выпускаемые в водоем,
обычно содержат 4—8 мг/л растворенного кислорода.
Токсичные вещества. К группе токсичных элементов
относятся тяжелые металлы: железо, никель, медь, свинец
и цинк, а также мышьяк, сурьма, бор, алюминий, хром.
115
Особенно важно контролировать содержание этих элементов
в производственных сточных водах, поступающих на соо-
ружения биологической очистки. Предельно-допустимые
концентрации (ПДК> этих элементов очень низки. Так,
для свинца ПДК. для сооружений аэробной очистки сос-
тавляет 1 мг/л, а для меди — 0,5 мг/л. При совместном
присутствии нескольких токсичных элементов допустимая
концентрация их рассчитывается по уравнению (13).
Кроме неорганических соединений в некоторых видах
производственных сточных вод оказываются токсичные
органические примеси, такие, как нефтепродукты, фенаты,
красители и т.д. Допустимые концентрации этих веществ,
не нарушающие работу очистных сооружений также рег-
ламентируются "Правилами приема производственных сточ-
ных вод в системе канализации населенных пунктов".
Биологические загрязнения. Микрофлора бытовых
сточных вод представлена в основном микроорганизмами,
выделяемыми из кишечника человека, смываемыми с
тела и окружающих предметов. С физиологическими
выделениями человека в сточную воду поступает не-
сколько триллионов микробов в сутки. Среди них
значительное число составляют кишечные палочки,
лактобациллы, энтерококки, грибы, простейшие. При
спуске в городскую канализацию некоторых производ-
ственных отходов в сточных водах оказываются
специфические микроорганизмы (грибы, актиномицсты,
дрожжи и т.д.), используемые в промышленности.
Для полной санитарно-эпидемиологической оценки
сточных вод кроме микробного числа и коли-теста опре-
деляют третий показатель — содержание яиц гельминтов.
Содержание яиц гельминтов в сточной воде харак-
теризует общую и видовую пораженность населения
гельминтозами и позволяет оценить уровень санитарного
состояния населенного пункта. В сточной воде наиболее
часто встречаются яйца аскарид. На их долю приходится
около 92% общего числа яиц гельминтов, остальные 8%
составляют яйца власоглава, остриц, широкого лентеца.
Увеличение водопотребления наряду с повышением общей
культуры населения приводит к постоянному снижению со-
держания яиц гельминтов в сточных водах. Так, в сточных
водах московской канализации количество яиц гельминтов
понизилось с 10 шт/л в 1960 г. до 0,5 шт/л в 1987 г.
116
Г л а в a 10. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ВОДЫ
Как уже говорилось, качество воды оценивается ком-
плексом разнообразных показателей, определяющих те или
иные ее свойства. Из общего числа показателей, харак-
теризующих качество воды, большинство применяется для
оценки воды любого происхождения и назначения. Однако
в зависимости от степени загрязненности воды и вида
водопользования число и набор показателей, достаточных
для характеристики ее качества, могут существенно изме-
няться.
27. ПРИРОДНЫЕ И ПИТЬЕВЫЕ ВОДЫ
Некоторые из показателей рассматриваются в основном
применительно к природной и питьевой воде, в также к
воде промышленных водопроводов. К числу таких показа-
телей относятся ионный состав и общее солесодержание,
цветность, запах и привкус, жесткость, щелочность, содер-
жание железа и марганца.
В зависимости от назначения воды требуется разное
ее качество. Например, соли жесткости в концентрации до
7 мг-экв/л не оказывают влияния на качество питьевой
воды, но вода с такой жесткостью не пригодна для питания
паровых котлов. Мутность более 1,5 мг/л ухудшает орга-
нолептические свойства питьевой воды и оценивается на-
селением не только с эстетической точки зрения, но и как
свидетельство возможной опасности такой воды в санитар-
ном отношении, тогда как в воде, используемой для вос-
полнения потерь из систем охлаждения промышленных аг-
регатов, допускается мутность, в десятки раз большая.
Требования к качеству воды, используемой в техно-
логических процессах, очень различны и определяются ха-
рактером производства. Например, на первых стадиях обра-
ботки кожи можно использовать природную воду без пред-
варительной очистки при единственном условии: концент-
рация взвешенных веществ в ней не должна превышать
500 мг/л. В пищевой промышленности используют только
питьевую воду, а при производстве многих лекарственных
препаратов требуется дистиллированная вода, не содержа-
щая солей.
Особенно строго нормируется качество питьевой воды.
Стандартизация качества воды коммунальных водопроводов
117
является одним из важнейших профилактических ме-
роприятий , направленных на предотвращение возникновения
и развития среди населения заболеваний инфекционной и
нсинфскционной природы. ГОСТ 2874—82 качество питьевой
воды оценивается комплексно тремя группами нормативов,
соблюдение которых обеспечивает благоприятные органо-
лептические свойства воды /органолептические показатели),
безвредность ее химического состава (санитарно-токсико-
логические показатели) и эпидемиологическою безопасность
воды (бактериологические показатели).
Органолептические свойства питьевой воды
нормируются следующим образом:
по интенсивности их восприятия органами чувств человека.
запах и привкус ................................... 2 бал
цветность..................................... 20 град.
мутность ..........................................1,5М1'/л
по концентрации веществ, обеспечивающих благоприятные органо-
лептические свойства воды:
сухой остаток ...............................4,1000 мг/л
хлориды.................. ......................с 350 "
сульфаты........................................<500 “
железо..........................................4,0,3 "
общая жесткость..................... . . . <7мг-экв/л
В отдельных случаях допускается использование виды с сухим остатком
до 1500 мг/л и жесткостью до 10 мг-экв/л.
Санитарно-токсилогическими нормативами ограничива-
ется концентрация в воде химических веществ, мг/л:
встречающихся в пририцных водах.
бериллий ...................................... 0.0002
молибден ........................................ 0,5
мышьяк.......................................... 0,05
нитраты.............................................10
свинец........................................... 0,1
стронций ........................................... 2
селен .......................................... 0,001
фтор 0,7—1,5 (в зависимости от климатической зоны!
добавляемых к воде в процессе ее обработки
пилиакриламид, остаточный....................... 2
А1+остаточный................................. 0,5
Санитарно-эпидемиологическая безопасность питьевой
воды обеспечивается при соблюдении следующих требо-
ваний:
118
общее число бактерий в 1 мл неразбавленной воды . . . ^100
число бактерий группы кишечной палочки, определяемой
на среде Эндо с предварительной концентрацией бактерий
на мембранных фильтрах (коли-индекс)...................^3
Обеспечение требуемого качества воды возможно только
при условии правильного выбора методов очистки и под-
готовки воды в соответствии с качеством ее в источнике
водоснабжения. При подготовке питьевой воды в
источниках водоснабжения нормируется содержание
хлоридов, сульфатов и общее солесодержание (по сухому
остатку) в соответствии с ГОСТ 2874—82, поскольку на
очистных станциях коммунальных водопроводов не предус-
матривается опреснения воды.
Если качество воды в источнике водоснабжения позво-
ляет подавать ее потребителю после обеззараживания без
какой-либо предварительной очистки, коли-индскс воды
источника не должен превышать 1000. При полной очистке
воды допускается значение коли-индекса в источнике во-
доснабжения до 10 тыс. Вода источника водоснабжения не
должна содержать веществ, которые ухудшают качество
воды, но не могут быть удалены из нее современными
методами. Если загрязнения природной воды можно уст-
ранить тем или иным способом, то концентрация этих за-
грязнений должна соответствовать эффективности приме-
няемых методов обработки. При несоответствии качества
воды в источнике требованиям ГОСТ 2761—84 хотя бы
по одному из показателей или при коли-индексе более
10 тыс. необходимо обеспечить дополнительную обработку
воды специальными методами, гарантирующими требуемое
ее качество.
Рассмотрим несколько примеров оценки качества воды
различного состава.
Пример 1. По результатам определения ионного состава воды оценить ее
качество и пригодность для питьевых целей, если по остальных показателям
вода удовлетворяет требованиям I OCT 2S74—82.
Концентрация, мг/л
Na+ .................... 23 СГ ...................42.5
К+ .....................1.2 SO? ....................52
Ca2f...................46 8 НСОэ ............... 124,6
Mg‘* ................ 12.2
Решение. Результаты определения ионного состава воды позволяют
вычислить ряд показателей. по которым оценивается ее качество. Прежде всего
119
по суммарной массе катионов и анионов можно определить общее солссодер-
жание. При расчете следует учесть, что в величину солесодержание, опреде-
ляемого аналитическим путем, войдет только половина концентрации бикар-
бонатов, так как в соответствии с реакцией 2НСОз-*СО j + ПгО + СО2 бикар-
бонаты переходят в карбонаты с выделением СОг. Тогда величина сухого
прокаленного остатка составит 23 + 1,2 + 46,8 + 12,2 + 42,5 + 52 + 124,6/2 -
- 240 мг/л, что позволяет считать эту воду пресной (солесодержание
< 1 г/л). Степень минерализации воды средняя (солесодержание 200—500
мг/л)
Наличие в воде катионов кальция и магния позволяет подсчитать жест-
кдсть воды Общая жесткость определяется суммарной концентрацией этих
катионов в мг-экв/л и составляет: 46,8/20,04 + 12,2/12,16 - 3,34 мг-экв/л
Жесткость анализируемой воды в основном обусловлена катионами кальция.
Если выразить концентрацию ионов НСОз тоже в мг-экв/л, можно оценить
характер жесткости [НСОз] - 124,6/61,018 - 2,04 мг-экв/л. Суммарная кон-
центрация ионов кальция и магния (3,34) больше концентрации бикарбона-
тов При этом условии карбонатная жесткость равна концентрации ионов
НСОз, т.е. 2.04 мг-экв/л Некарбонажая жест кость определится как разноси,
общей и карбонат ной жесткости и составит: 3,34 - (2,04 — 1,3) мг -экв/л. Вода
с общей жесткость 3,34 мг-экв/л считается мягкой Кипячение воды с таким
соотношением карбонатной и некарбинагной жесткости приведет к умягчению
воды в результате устранения карбонатной жесткости. Щелочность воды в дан-
ном случае оказывается равной концентрации бикарбонатов (2,04 мг-экв/л),
поскольку анионы других слабых кислот отсутствуют
Вода электронейтральна, поэтому суммарные концентрации катионов и
анионов должны бьпъ равны. Сопоставим эти величины, выразив концент-
рации ионов в мг-экв/л:
23/22,997 + 1,2/39,1 + 46,8/20.04 + 12.2/12,16 - 4,37;
124,6/61,018 4 52/48,033 + 42,5/35.46 - 4,32.
Полученные результаты показывают, что анализ воды выполнен очень
точно Таким образом, можно считать, что анализируемая вола пригодна для
питьевых целей.
Пример 2. Для бактериологического анализа через мембранные фильтры
профильтровано 10 мл воды им хлорирования и 5(Я) мл хлорированной воды
Определить коли-индекс и эффективность процесса обеззараживания, если
при выращивании на среде Эндо » первом случае на фильтре обнаружено
'28 специфических колоний, а во втором — 3. Оценить пригодность такой во-
ды для питьевых целей.
Решение. Считается, что каждая колония, обнаруженная на фильтре, вы-
росла из одной клетки. Таким образом, в 10 мл исходной воды находилось
28 клеток, а в 500 мл хлорированной воды — 3 клетки. Коли-индекс для пер-
вой и второй проб веды будет соответственно равен: 281000/10 •* 2800 и
3-1000/500 - 6. Эффективность обеззараживания составит (2800 —
- 6)100/2800 - 99,8% Эффективность хлорирования воды оказались дос га -
но высокой.
Численное значение эффективности процесса обеззараживания доста-
точно высокое, однако воду нельзя считать пригодной для питья, так как ее
коли-индекс больше установленного ГОСТ 2874—82 в 2 рада
Примерз. Сравнить качество воды двух источников по приведенным
данным.
120
Показателе Водоисточник 1 Водоисточник 2
Сухой прокаленный остаток. 1230 835
МГ/Л Концентрация ионов, мг/л Na4 391 21
Са* 22 14В
Ма2* 20 52
HCGf 178 302
SO2- 346 142
СГ 350 16С
F>>2* 5,6 0,2
Fe 1,9 0,5
ЖесткоеIь общая, мг экв/л 2,94 11,6
Коли-индекс 0 2,5Ю’
Решение. Из приведенных в таблице показателей качества воды в во*
доисточнике нормируются величина плотного остатка, концентрации сульфа-
тов и хлоридов. По этим показателям во,да источника 2 пригодна для комму
нальноговодоснабжения, тогда как для использования источника 1, где сухой
остаток превышает 1000, но менее 150С мг/л, требуется разрешение санитар-
но-эпидемиологической службы. Креме того, содержание хлоридов в этом
источнике составляет максимально допустимую величину.
В источнике 1 вода очень мягкая, а жесткость виды источника 2 выше до
пустимых стандартом величин, поэтому требуется ее умягчение. В отличие от
водоисточника 1, где бактериальные загрязнения отсутствуют, вода источника
2 имеет достаточно высокий коли-индекс, поэтому на станции должно бьпь
предусмотрено обеззараживание воды. Кроме того, при т -пользовании воды
источника 1 потребуется ее обезжелезивание и обеефториьание, так как кон-
центрация этих соединений превышает допустимые значения Наоборот, воду
источника 2 необходимо фторировать, так как отсутствие фтора в питьевой во-
де недопустимо.
Таким образом, анализ приведенных данных показывает, что вода обоих
источников требует соответствующей предварительной обработки, после чего
может быть использована для водоснабжения.
28. СТОЧНЫЕ ВОДЫ
Достаточно полная оценка качества сточных вод может
быть сделана только на основании сопоставления всех пока-
зателей санитарно-химического анализа. Однако в
зависимости от цели выполнения анализа из обшего переч-
ня его показателей преимущественное значение приобре-
тают те или иные определения. Например, для оценки
целесообразности отстаивания сточных вод основными
показателями состава вод являются взвешенные и оседа-
ющие вещества, характеризующие седиментационные свой-
ства нерастворснных примесей воды. БПКполн , ХПК и
121
соотношение этих величин позволяют оценить возмож-
ность и глубину биологической очистки. Чтобы определить
эффективность работы того мили иною сооружения, выпол-
няют анализ проб воды до и после обработки по всем
изменяющимся показателям. Общую оценку степени за-
грязненности бытовых и городских сточных вод можно
сделать, зная БПКпалн и взвешенные вещества.
Если концентрация сточных вод по названным показате-
лям 100 мг/л, их относят к слабозагрязненным; при
концентрации до 500 мг/л еючные воды имеют среднюю
степень загрязненности; высококонцентрированными счита-
ют сточные воды с концентрацией более 500 мг/л. Такая
классификация условна и неприменима для большинства
производственных сточных вод, так как они могут содер-
жать значительное количество загрязнений молекулярной
и ионной степени дисперсности, не окисляемых
биохимическим путем. Для общей оценки степени загряз-
ненности таких вод необходимо, кроме того, определение
ХПК и специфических видов загрязнений.
Концентрация бытовых сточных вод по ряду показате-
лей может быть определена расчетным путем. Такие рас-
четы широко используются при проектировании очистных
сооружений и основаны на том, что от каждого жителя в
систему водоотведения поступает в сутки определенное
количество загрязнений (г/сут). Зная нормы водоотведения
(а) и загрязнения по отдельным показателям (б) на одного
человека легко подсчитать концентрацию стачной воды <<?),
мг/л, по формуле: о = б 1000/а. В СНиП 2.04.03—85
приняты следующие нормы загрязнений в г/сут, поступа-
ющих в систему водоотведения от каждого жителя:
БПКпалн 75 хлориды.............9
взвешенные вещества . . 65 N-- NHf............ Я
фосфатыРгСИ 3,3 ILAB ........... 2,5
Приведенные ниже примеры показывают, как можно
использовать данные санитарно-химического анализа и нор-
мативных документов для оценки состава сточных вод. Бо-
лее подробно многофункциональное!ь санитарно-химичес-
кого анализа и его возможности рассмотрены в примере 7.
Пример 4. Определите концентрацию бытовых сточных вод по БПКпалн,
взвешенным веществам, азоту и фосфору при норме водоотведения 150 и
122
350 л/чал -сут. Оцените общую степень загрязнений и рассчитайте соотно-
шение БПКполн^':Р-
Решение. Концентрацию бытовых сточных вод рассчитаем, воспользо-
вавшись нормами загрязнений на 1 жителя по каждому из указанных в ус-
ловии примера показателей. При заданных нормах водоотведения концент-
рация сточных вод окажется следующей:
150л/чед.-сут
Б11Кполн ,, ....... 500
взвешенные вещества . 433
N—NH4**............33.3
Фосфор (Р)......... 9,0
350 л/чел-сут
214
186
23
4.1
Норма по фосфатам (3,3 г/сут) приведена в СНиП 2.04 03—85 и расчете
на PjOs. Д ля ее пересчета на фосфор <Р1 необходимо у множить норму на отно-
шение двух атомных масс фосфора к молекулярной массе PjOs 3,3 62/142 -
1 ,44 г/сут и затем по норме водоотведения рассчитать концентрацию по Р.
Проведенные расчеты показывают, что при норме водоотведения 150 л/чел,-
Сут концентрация бытовой сточной воды по БПКполн достигает границы пере-
хода от средней степени загрязненности к высококонцен тированным сточным
водам. Близко к этой границе и содержание взвешенных веществ. Увеличение
нормы водоотведения до 350 л/чел-сут резко снижает концентрацию сточных
вод по всем показателям Отношение БПКПСЩН:5М’ при норме водоотведения
150 л/чел.-сут составляет 500 53,3 9,6. а при350л/чел.-сут — 214.23:4,1. Для
сравнения полученных резуль. дтов рассчитаем количество азота и фосфора,
приходящееся на каждые 100 мг БПКполн. для чего первое соотношение раз
делим на 5, второе — на 2,14. Результат в обоих случаях будет одинаковым
100'10.7:1,92. Тот же результат можно получить и не рассчитывая концент-
рацию Сточных вод, а взяв отношение норм загрязнения по БПКПехлн, азоту и
фосфору По СНиП 2.04.03—85 для успешной биологической очистки необ-
ходимо обеспечить на каждые 100 ч. БПКполн 5 ч. азота и 1ч. фосфора П
бытовой сточной воде биогенных элементов всегда достаточно и добавка их не
Требуется. ХОТЯ После ПерВ! 1ЧНОГО ОТСТаИВиНИЯ сООТНОШсНИе БПКполн и ф. юфо -
ра изменяется.
Пример 5. По данным санитарно-химического анализа оцените состав
двух проб сточной воды.
Показателе, mi /л । I проба J 11 проба
ХПК 370 380
БП1<попн 290 195
В звешеннью вещества 240 1’0
Потери при прокаливании 156 99
Оседающие пешестна 160 20
27 50
Фосфаты (PI 3,5 0
Сухой остаток 8CG 820
Решение. Прежде всего следует отметить, что общее количество примесей
в обеих пробах веды практически одинаково, о чем свидетельствуют очень
близкие результаты определения в них сухого остатка и ХПК. Однакохарактер
123
примесей и их фазово дисперсное состояние отличаются В первой пробе ла до-
лю веществ, находящихся в растворенном состоянии, приходится ,800 —
240) - 560 мг/л, а во второй — <820 — 1101-710 мг/л. Так как потери при
прокаливании сухого остатка не приведены, судить о соотношении
органических и минеральных примесей в общей массе загрязнений невозмож-
но. Оценить это соотношение можно лишь для нсрастворенных примесей.
В первой пробе нерастворенные примеси содержат 65% (156 мг/л)
органических и 35% <240 — 156-84 мг/л) минеральных загрязнений. Эти
примеси обладают хорошими седиментационными характеристиками, о чем
свидетельствует отношение оседающих и взвешенных веществ, составляющее
160/240 - 0,67 Во второй пробе 90% (99 мг/л) нераствореннык примесей
приходится на долю органических веществ. При этом простое отстаивание не
приводит к существенному осветлению воды, так как только 20 из 110 мг/л не
растворенных примесей (или 18%) способны перейти в осадок за 2 ч
отстаивания.
Для обеих проб отношение БПКПолн/ХПК больше 0,5 Это позволяет го-
воритьо возможности применения метода биологической очис тки. Однако воз-
можная глубина процесса очистки окажется существенно рахтичной, так как
в первой пробе к биохимическому окис тению способны 290/370 - 0,784 (или
78,4%), а во второй — только 51,3% веществ, оцениваемых величиной
ХПК. Кроме того, в первой пробе биогенные элементы не будут
лимитировать процесс очистки, так как отношение БПКполюЬйР составляет
100:9,3:1,2. Во второй пробе сточной воды при избытке азота отсутст-
вует фосфор. Для биологической очистки такой воды потребуется добавка
солей фо» фора
Примерб. В производственной сточной воде сухой остаток составил
1600 мг/л. а потери при прокаливании — 700 мг/л. Сухой остаток
анализировали по методу сжигания и установили, что беззольное вещество
имеет состав: С-48 %, 11-5%, N- 14%, 0-32%, Найти среднсстагическую
формулу органических примесей воды и значение ХПК расчетной.
Решение. Для нахождения средне-статической формулы или соотношения
элементов в органической части сточной воды необходимо процентное содер-
жание каждого элемента разделить на его атомную массу:
С - 48/12 - 4; Н - 5/1 - 5; N - 14/14 - 1,
О - 32/16 - 2.
Очевидно, что полученные значения показывают, сколько частей каждого
элемента присутствует в исслсдусмэм органическом веществе, т.е. его услов-
ную формулу можно записать я виде C4H5NO2.
Для определения концентрации сточной воды по ХПК находим ХПКуд
органических веществ-
2C4H5NO2 + 702 - 8СО2 + 2Н2О + 2MI3,
ХПКуд - 7.32:(8.12 + 10-1 + 2.14 + 4 16) - 1,13 мг/мг.
Так как потери при прокаливании сухого остатка состаапяют 700 мг/л,
можно счита гь, что концентрация сточной воды no X11К составит:
1,13 мг/мг . 700 мг/л - 791 мг/л.
Пример 7. Проанализировать санитарно-химические показатели сточ-
ной воды, нрсдсгавлснные в таблице, где даны показатели за один месяц экс-
плуатации очистной станции — средние из трех среднесуточных анализов
Ливневые стоки на очистную станцию нс поступают
124
Показатель Сточная пода
поступившая на стан ЦИК) после очистки
без добав пения с добав ленным в нее илом механической биологи- ческой
Температура °C 15,1 — 14 5 14 5
ph 7,4 —> 7.6 / 7
Оседающие вещества, мг /п. по ибьему 5,3 1 9
" массе 126 154 54 —
Взвешенные вещества, мг/л: при 105 °C 199 224 115 13,5
" прокаливаний 147 — 64 8
БПК $, мг Oj/л : натуральной пробы 192 164 12.4
лро бы, отслоенной 126 —* 118 Э 2*
в цилиндре ХПК. мг О2/л 3&J J — — 178
Фосфор (в пересчете 81’* — 7.1 1.8
на HjOg) мг/л Азот, мг/л! общий аммонийным 36** 28 29 27 26
нитритный 0 — — 1 1
нитрагныи 0 — — 0
Эфирорастворимые ее 63 — — 12
щества, мг/л СПАВ, мг/л 3.5 — 2 1
Хлориды, мг/л 108 — 108 115
Жглезо, мг/л 5,6 — 4.9 0 я
ЧИСЛО КОЛОНИЙ, тыс/мл на МПА 950 — 424 58
" Эндо 75 — 29 5,4
Растворенный кислород 0 — 5,7
мг/л
* Проба профильтрованная через бумажный фильтр
’* Проба, отслоенная о цилиндре
Решение На очистную станцию поступала вода средней степени загряз-
ненности концентрация взвешенных веществ и БПК;. исходной воды не пре
высили 200 мг/л.
Оценим состав поступающих стоков по содержанию в них загрязнений
бытового и производственною происхождения. Как правило, состав посту ла-
ющего на очистную станцию ст ока известен, однакоон непостоянен вследствие
неравномерности выпуска сточных бод предприятиями, периодических сбро-
сов сильно загрязненных вод, изменений в технологии производства и т.п.
Таким образом, действительное соотношение количеств загрязнений, пос-
125
тупивших от населения и промышленных предприятий* обычно неизвестно. Во
время работы очистной станции может нарушаться и процесс очистки
Для поставленной задачи нет строгого решения, однако попытка
расшифрован состава стока представляет определенный интерес.
Для решения воспользуемся правилом определения нормы водоотведения
но известным нормам загрязнения на жителя. Подсчет сводится в таблицу
— Концент ра- ция загэяз- нений, мг/л Норма на 1 жителя
Показатель заг рязнений, г/сут водоотведения, п/сут
Завешенные вещества 199 6Б 330
БГ'Клолн Хлориды 222 75 340
110 9 82
Фосфаты 8.1 3,3 410
Азот аммонийный 26 8 290
СПАЕ 3,5 2 5 720
Из таблицы видно, что величины вычисленной условной нормы водоотве-
дения колеблются в широких пределах — от 82 до 720 л/сут на 1 жителя в
зависимости от того* по какому виду загрязнений они определены
Наибольшие отклонения имеют величины условной нормы, подсчитанные по
хлоридам и СПАВ Низкая условная норма, вычисленная по хлоридам, объяс-
няется их высокой концентрацией в сточной воде, которая может возникнуть
по двум причинам- либо концентрация хлоридов высока в водопроводной воде,
что допускается ГОСТом, либо отдельные предприятия спускают в систему го-
родской канализации в больших количествах рассолы. Наиболее вероятна пер-
вая причина, т.е. фоновая концентрация хлоридов в питьевой воде находится
на уровне 50—100 мг/л.
Условная норна, вычисленная по СПАВ, настолько высока, что не отве-
чает на сегодня условиям городского водоснабжения, даже если включить рас-
ход ыэды промышленными предприятиями Если учесть при этом, что многие
промышленные предприятия также используют СПАВ в технологии производ-
ства и, следовательно, сбрасывают их после отработки в канализацию, то
наиболее вероятной причиной столь большого отклонения от средних величин
мсжно считать то обстоятельство, что населением не использовались СПАВ в
количествах. принятых в нормах .загрязнений на жителя.
Если исключить из дальнейшего рассмотрения эти две крайние цифры;
то можно видеть, что колебания величин условных норм по остальным показа-
телям — от 290 до 410 л/сут на 1 жителя — все еще остаются достаточно
большими и составляют более ) 40% меньшей величины. Такие колебания и
есть доказательство того, что в систему канализации поступают нс только бы-
товые. но и производственные стоки В самом деле, если бы колебания величин
вычисленных норм были меньше и не превышать, например 25%, то можно
было бы считать, что сточная вода — только бытового происхождения
Действительно маловероятно, что все предприятия сбрасывают в канализацию
загрязнения, описываемые разными показателями анализа, точно в тех же
пропорциях, которые характерны для бытовой воды. Следовательно, если ко-
лебания величин вычисленных норм выхолят за разумные пределы, то.
126
очевидно, в канализацию поступают смешанные воды — бытовые и производ-
ственные
Продолжим рассмотрение отчетных данных
В поступающей сточкйй воде присутствовало значительное количество
нерастворенных примесей — концентрация взвешенных веществ составила
199 мг/л. Из этого количества 126 мг/л, или 63,5 %, составили оседающие ве-
щества, представляющие собой такую часть взвешенных частиц, когорам при
отстаивании в лабораторных условиях, в условиях покоя оседает на дно отстой-
ного сосуда.
В сточную во,ту перед первичными отстойниками добавили активный ил
в количестве 224—199 - 25 мг на 1 л. За счет этой добавки количество оседа-
ющих веществ увеличилось на 154—126 - 28 мг. Весь добавленный ил, таким
образом, в условиях опыта осаждается. Разницу 3 мг можно в расчет не
принимать, ибо она может быть следствием несоответствия проб по времени
их отбора. Однако если такая разница наблюдается систематически, то пред-
полагается наличие флокулирующего действия добавляемого ила Следова-
тельно, на соотношение величин концентраций взвешенных веществ веточной
воде дои после внесения в нее ила следует обратить внимание при анализе дан-
ных в другие периоды эксплуатации.
После добавления ила оседающие вещества составили несколько больший
процент от взвешенных — 69%, чем до добавки ила Отметим здесь же, что
результаты лабораторного анализа оседающих веществ по объему не позволя-
ют судить об ожидаемом в натуре объеме образующегося осадка. В самом деле,
я рассматриваемом с.тучас 126 мг оседающих вешеств зап и мают объем 5,3 мл
в 1 л, что при плотности осадка в 1 г/л соответствует влажности;
Вл - 15300 — 1261.(5300 • 1) - 0,976<97,6%).
Поскольку влажное 1 и осадка из первичных отстойников обычно не пре-
вышает 92 —94%, его объем меньше замеренного в лабораторных условиях в
2,5—3,5 раза.
В 1 л осветленной воды (т.е. воды после первичного отстаивания) осталось
115 мг взвешенных веществ, из которых оседающие вещества составляют
54 мг, или 47%. Снижение процента оседающих веществ от взвешенных зако-
номерно и свидетельствует о том, чт о в осветленной воде остается более легкая,
мелкая, труднооСедаемая взвесь. Эффективность осветления воды по взвешен-
ным веществам 49% (или 41 % по отношению к начальной концентрации —
199 mi/л) и но оседающим 65% (или 57% поотношениюк начальной концен-
трации — 126 мг/л) характерна для удовлетворительно работающих
первичных отстойников.
Из 199 мл взвешенных веществ потери при прокаливании составили
147 мл, что соответствует ожидаемой зольности осадка около 26%
(199—1471/199- 0.261 Истинная зольность осадка должна быть несколько
выше указанной цифры вследствие попадания в него мелкого песка, который
не улавливается в песколовках и оседает вместе с осадком в первичных
отстойниках. В пробу, отбираемую на анализ воды, песок не попадает. Несов-
падение вычисленной величины зольности и определяемой прямым
анализом — следствие, кроме того, несоответствия анализируемых проб виды
и осадка (по времени их отбора), а также загрязнения песка орщническими
примесями. Все факторы в целом обусловливают отклонение вычисленной
величины от найденной анализом на 5—6%.
После отстаивания соотношение зольной и беззольной частей во взвешен-
ных веществах практически не изменилось Зольность этих веществ, посту ла -
127
юших в сооружения биологической очистки, равна <115—
84)/115-0,27(27%).
Для городе* их сточных вод зольность образующегося активного ила почти
не отличается от зольности взвешенных веществ в обрабатываемой воде, шито-
му можно считать, что зольность активного ила составит в данном случае 25—
30% В то же время эта величина, определенная из данных отчетной таблицы,
оказывается равной: (13,5—81/13,5 - 0,41(41%) Это несовпадение цифр
объясняется только трудностью точного выполнения анализа на зольность при
малом количестве прокаливаемой взвеси
Если сопоставить величину ЫТК< и взвешенных веществ в воде, поступа-
ющей на сооружения механической очистки и прошедшей их, то можно
увидеть, что это соотношение заметно увеличилось. Это свидетельствует о том,
что взвешенные вещества, удаляемые в процессе отстаивания, биологически
окисляются с трудом (в аэробных условиях), а наибольшая доля БПК
приходится на загрязнения, находящиеся в воде в виде коллоидно растворен-
ных и истинно растворенных веществ.
Из данных таблицы нетрудно убедиться в справедливости высказанного
утверждения, а также уяснить способ подсчета БПК разных фракций загряз-
нений.
Сточная вода или взвешен- ные вещества Взвешен- ные веще- ства, мг/л БПК, мг/л Отношение БПК; к взвешенным веще- ствам
Вода, поступающая на станцию 199 192 0,97
Вода, отстоенная в лабо- раторных условиях 199-126=: '3 126 1,73
Вода осветленная в пер- вичных отстойниках 115 154 1.34
Взвешенные вещества, осевшие и и1сгойниках 224-115= =109 192+6*- -154=44 0 4
То же в цилиндрах 192 (92-126= =66 - 0.52
Оседающие вещества осветленной воды 126 154—118= =36 3,67
Активный ил 154 12 4-9,2 = =3,2 = 0.24
"Соответствует расчетной БПК; добавляемых 25 мг ила на 1 л (0,25 х
х 25 =6) .
Из результатов расчетов, приведенных в таблице, видно, что оседание
взвешенных веществ в лабораторных условиях и натурных сооружениях
различно как но количеству, так и по качеству и, кроме того, чем крупнее и
тяжелее выпадающие частицы, тем менее очи окисляются биологически в
аэробных условиях. Малая величина удельной БПК ила объясняется иными
причинами. Ил из аэротенков, где происходит нитрификация (это
фиксируете)- наличием нитритов в очищенной воде), глубоко минерализован
биологически, и дальнейшее его окисление происходит с трудом.
128:
Из общей БНКб исходной воды, равной 192 мг/л, на долю крупных выпа-
дающих частиц приходится 66 мг/л, или 34%. На 73 мг/л неосе дающих ве-
ществ приходится (ориентировочно) 73 0,52 - 38 мг/л (или 20%). Тах им обра-
зом, на примеси, находящиеся в растворенном и коллоидном состояниях, оста-
ется: 192—(66+38) -88 мг/л (46%).
В сточной воде после отстаивания и частичного изменения ее состава
вследствие добавки ила соотношения меняются Так, из общей БПКз. равной
154 мг/л, на долю тонких оседающих веществ приходится приблизительно
36 мг/л, на долю неоседающих — 41 мг/л (61 0,67) и на растворенную и кол-
лоидную фракцию загрязнений — 77 мг/л, или 50%.
На основании проведенных расчетов можно сделат ь вывод о том, что для
увеличения эффективности работы последующих сооружений отстаивание го-
родских сточных вод — целесообразный прием обработки, так как из воды уда-
ляются наиболее трудно биолшически окисляемые в аэробных условиях взве-
шенные вещества.
По ХПК поступающей и очищенной воды можно утверждать, что в воде
после биологической очистки осталась значительная часть загрязнений, не
утилизированная активным илом при очистке воды в аэротенках. Из общей
ХПК 178 мг/л на долю частичек ила приходится примерно: 13,5 1,4 - 19 мг/л
(где 1,4 — удельная ХПК активного ила), Разиина в 159 мг/л указывает на
наличие в очищенной воде растворенных органических примесей,
биохимически окисляющихся лишь на 9,2/159-0,06(6%) Этоозначает, что
в проточном водоеме, куда поступает очищенная вода, трудноокисляемыс
вещества будут фиксироваться на очень большом расстоянии от места сброса
ВОДЫ-
Интересно следующее сравнение В поступающей воде биологически не
окисляемые примеси определены в количестве ХИК—БПКполн- Как уже отме-
чено, БПКполн для городской воды можно ориентировочно подсчитать,
принимая коэффициент пересчета 1,16. Тогда БПК1|Олн - 192 1,16 - 220 мг/л.
Количество биологически не окисляемых примесей (учитываемых в единицах
кислорода) оказывается равным 380—220 - 160 mi в 1 л, что почти точно сов-
падает с величиной ХПК, зафиксированной анализом. Такие близкие зна-
чения расчетных и полученных анализом величин наблюдается не всегда, рас-
хождение может достигать 15—25%. Следовательно, ожидаемую ХПК
очишенной воды можно предсказать с ошибкой от 0 до 25%.
Из данных таблицы, к сожалению, нельзя получить полного представ-
ления о составе органических веществ, обусловливающих столь высокуюоста -
точную ХПК очишенной воды Можно только видеть, что в биологически
очищенной виде все еще остаются различные углеводороды, определяемые как
эфирорастворимые вещества, а также синтетические поверхносгно-активные
вещества, обычно удаляемые не более чем на 40% во всех сооружениях
биолошческой очистки. В сумме эти группы веществ могут обусловить ХПК на
уровне 30 —50 мг/л (что определяется по средней удельной ХПК органических
веществ в 2—3 мг/мг). Следовательно, в биологически очищенной воде на-
ходится еще достаточно большое количество нсидентифицированных
органических примесей.
Для успешного протекания процесса биоокисления в воде должны на-
ходиться биогенные элементы с минимальным количеством, удовлетворя-
ющим соотношению. БПК N:P-100:5:l.
Из таблицы следует, что на биологическую очистку поступала вода с
Б11К$. равной 154 мг/л, с содержанием азота аммонийных солей 27 мг/л и фос-
фасов (в пересчете на Р2О5) 7,1 мг/л. Для сравнения указанных величин с
129
рекомендуемыми нужно БПКз перевести в БПКоолк (принимаем К - 1,16), а
фосфаты — из единиц PzOs в единицы Р. Для перевода фхфаюь в единицы
фосфора и концентрацию ну ж но умножить на 0,437 (расчет по молекулярным
массам): 7,ГО,437 -3,1 мг/л.
Таким образом. в анализируемом случае соотношение равно.
БПК1юлн.К:Р - 179:27:3,1 - 100:15 1,7, Из этого следует, что потребности
микроорганизмов в азоте и фосфоре обеспечены сверх нормы и, следовательно,
можно в систему канализации подавать произволе таенные стоки, лишенные
зтих элементов.
Если сравнить цифры норм и действительного снижения концентрации
фосфора. то можно увидеть, что удаление фосфора оказалось более зна читель-
ным.чемследуетизрекомсндуемогосоотношения (7,1 — 1,8)0,437-2,3 мг/л
при снятой БПКпопн:178 — 12,4-1,67 - 157 мг/л (здесь 1,67 — коэффициент
пересчета БПКз в БПКпшш для биологически очищенной воды) Таким обра
эом, имеем 157:2,3 - 100:1,5 Следовательно, на каждые 100 мг/л БПК.млн
удаляется фосфора 1,5 мг/л вместо 1 мг/л но норме.
Результат этот закономерен, поскольку удаление фосфора при
биологический очистке происходит как вследствие биохимических, так и хе-
мисирбционных процессов Отметим также, что в процессе биологической
очистки удаление фосфатов составило 75 %, а при простом отстаивании — все-
го 12%
Что касается удаления азота, то для полноты суждения здесь не хватает
данных о приросте ила и содержании в нем азота в белковой форме Для сос-
тавления баланса по азоту необходимы учет и сопоставление азота в поступа-
ющей и очищенной воде во всех его формах — органического, аммонийного,
нитритного и нитратного, а в иле — белкового. Из ориентировочного расчета
видно, что удавление азота с избыточным илом составляет примерно 9 мг/л,
что почти совпадает с ожидаемым удалением азота, равным 8 мг/л.
По данным анализа в поступающей воде не зафиксировано присутствие
ингибиторов процесса » концентрациях выше предельно допустимых. Так,
концентрация СПАВ не превышает допустимых норм: концентрация железа,
равная 4,9 мг/л, в воде, поступающей в аэротенки, также менее ПДК. равной
для железа 8 мг/л.
Очищенная вода имеет достаточный запас растворенного кислорода, что
позволяет выполнить требования санитарных правил по спуску стсчных вод в
открытые водоемы. В то же время в очищенной воде все еше остаются бак-
териальные загрязнения, что вызывает необходимость обеззараживания воды.
Снижение бактериальной загрязненности в целом на очистной станции очень
высокое — 93%, при этом с осадком из первичных отстойников удаляется от
50 до 60% бактерий всех видов, в том числе бактерий группы кишечной
палочки, поэтому все виды осадков очистной станции также нуждаются в
обработке с целью обеззараживания.
По отчетным данным можно видеть, что я процессе очистки произошло
незначительное охлаждение воды, что естественно, так как в зимнее время года
температура наружного воздуха значительно ниже температуры поступающей
воды, а очистные сооружения обычно представляют собой открытые резерву-
ары с большой площадью поверхности воды. Небольшое повышение реакции
среды характерно для процесса биологической очистки.
В целом можно отметить, что получена вода удовлетворительного качест-
ва (БПК) очищенной воды низкая — 9,2 мг/л), при этом зафиксировано нача-
ло второй стадии биологического окисления — нитрификации.
130
Проведенное рассмотрение отчетных данных санитарно-химического
анализа сточных влд до и после их очистки позволяет убедиться в том, что каждый
показатель состава воды имеет не только самостоятельное значение, но и опреде-
ленным образом увязан со многими другими показателями. Комплектная оценка
ряда показателей дает возможность судить об эффективности процесса очистки а
целом и роли каждого сооружения в удалении загрязнений различных фракций
(Здесь не ставилась задача технологического анализа работы сооружений, а расе -
матривался вопрос изменений в составе воды в процессе ее очистки.)
Рассмотренное решение не следует принимать за исчерпывающую схему
оценки данных лабораторного анализа, а лишь как методическое руководство
к решению подобных задач
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите основные факторы, влияющие на формирование состава
воды подземных и поверхностных водоисточников.
2. На какие группы можно разделить природные воды в зависимости от
общего содержания солей и количественных соотношений между ионами?
3. Перечистите, из каких химических компонентов складывается мине-
ральная часть природных вод
4. Какие соединения составляют основную часть органических примесей
природных вод? Что понимают под термином ’гумус"?
5. Что подразумевают под качеством воды?
6. Какие показатели качества называются органолептическими?
7. Какие примеси природной воды обусловливают ее запах и вкус?
8. Какие микроорганизмы могут влиять на органолептические показатели
качества воды?
9. Какие показатели качества воды изменяются в период цветения водоема?
10 Какие примеси обусловливают мутность воды*’
] 1. Какая взаимосвязь существует между показателями мутности и проз-
рачности, мутности и цветности?
12. Какими веществами обусловлена цветность природных вод9
13. В чем разница между показателями "мутность" и "взвешенные вещества’?
14. Какие показатели качества воды изменяются при увеличении в воде
грубодисперсных примесей?
15. По экспериментальным данным, приведенным ниже, постройте
графическую зависимость призрачности "по кресту" от концентрации взве-
шенных веществ1
концентрация взвешенных веществ, мг/л: 20 40 60 80 1 20
прозрачность "по кресту", см. 40 20 15 10 8
16- Определите молярные концентрации различных соединений уг-
лекислоты, если их общее содержание составляет 0.5 моль/л, а pH - 7. Для
решения воспользуйтесь рис. 19
17 Что означают показатели "общая" и "гидратная" щелочность?
18. Какие ионы обусловливают жесткость воды?
19 Что понимают под терминами "мягкая" и ' жесткая" вода?
20. 0нределите общую, карбонатную и некарбитнатную жесткость, если
(Са2*] -40 мг/л, |Mg2*] -25 мг/л, [НСОз] -70 мг/л.
21 .Общая жесткость воды составляет 5 мг-экв/л, концентрация ионов
кальция равна 30 мг/л. Рассчитайте массовую концентрацию ионов магния
131
22. При каком условии наблюдаете* равенство показателей "щелочность"
и "карбина <ная жесткость"?
23. Перечислите основные азотсодержащие примеси природной воды.
24. О чем свидетельствует повышение концентрации аммонийного азота
в водоеме?
25 Что такое перманганатная окисляемость? Наличие каких веществ
обусловливает величину этого показателя?
26. Какие показатели качества воды можно рассчитать по данным количе-
ственного анализа ионного состава в» ды"
27. Какой показатель качества воды дает представление об общем содер-
жании в ней солей?
28. Объясните причины появления в природных водоемах газов: кислоро-
да, диоксида углерода, сероводорода, метана
29 Какие показатели качества воды называют санитарно-
микробиолшкческнми?
30. Что обозначает термин 'санитарно-показательные микроорганизмы",
какие требования предъявляются к ним?
31 Что понимают под термином "микробное число"9
32. Дайте определения терминам "кили- тигр" и "коли-индекс".
33. По какому санитарно-микробиологическому показателю можно кос-
венно Оценить степень загрязнения воды органическими веществами?
34. Определите микробное число, если для посева взят 1 мл воды, пред-
варительно разведенной в 100 раз. а в чашке Петри после инкубации выросте
40 колоний.
35. Какая из двух проб более опасна в санитарно-эпидемиологическом
отношении: 1) микробное число — 500. коли-титр — 200; 2) микробное
число — 500: коли-титр — 509
36 Какие цели преследует стандартизация качества питьевой воды?
37. Какие группы показателей качества воды приведены в ГОСТ 2874-82?
38 Квкоезначениеимеетгастированиеконценграциифгора в питьевой воде9
39 Пригодна ли вода для питьевых целей, если по всем показателям нор-
мативы соблюдены, а из токсичных веществ обнаружены бериллий, селен,
свинеи в концентрациях, равных ИДК (табл. 2 ГОСТ 2874-82)?
40 Присутствие каких химических веществ влияет на органолептические
качества питьевой воды?
41. Почему нормируется содержание железа в питьевой воде?
42. Почему нормируется жесткость питьевой воды?
43 Что лежит к основе классификации сточных вод?
44 Что понимают под термином "городские сточные воды’ ?
45. Какие цели преследует санитарно-химический анализ сточных вод?
46- Почему анализ называется санитарно-химическим?
47 Выделите из общего перечня показателей санитарно-химического
анализа показатели, имеющие технологическое значение
48 Технологический смысл определения температуры сточной воды.
49. Какие показатели санитарно-химического анализа дают представ-
ление о степени общей загрязненности сточной воды?
50- Какие показатели являются важнейшими технологическими харак-
теристиками процесса отстаивания?
51. Что больше: сухой или плотный остаток; оседающие или взвешенные
вещества?
52. Можно ли, зная сухой и плотный остатки, оценить концентрацию
взвешенных веществ?
132
53 Какие показатели характеризуют загрязненность сточной воды
органическими веществами?
54 Что понимают по терминами "теоретическая" и "экспериментальная"
ХПК? Какая из этих величии больше?
55. Рассчитайте теоретическую ХПК сточной воды, содержащей 100 мг/л
муравьиной кислоты, 50 мг/л ацетона и 40 мг/л метилового спирта
56. Что характеризуют величины БПК? и БПКпалн? При каком условии
они могут быть равны?
57. Что больше* Ы1 Кроли или XIIK? Могут ли они быть равными?
58. Что показывают от ношения БПК/ХПК и разность (ХПК— БПК)?
59 Целесообразна ли биолотческая очистка сточных вод. имеющих сле-
дующие значения показателей ок исляе. мости
ХПК, мг/л
1) 400
2) 780
3) 840
БПК, мг/л
320
270
630
60. Две воды, имеющие одинаковую степень загрязненности по ХПК, рав-
ную 400 мг/л, поступают на биологическую очистку Какая из них окажется
чище, если исходная величина БПКпалн для первой воды составляет 325 мг/л,
а для второй — 240 мг/л?
61. Назовите показатели, характеризующие наличие в сточной воде
токсичных примесей.
62. D чем состоит отличие в санитарно-микробиологической оценке
ПИ1о€ВЫХ и сточных вод?
РАЗДЕЛ 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОДЫ
НА МАТЕРИАЛЫ
Г л а в а 11. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ В ВОДНОЙ СРЕДЕ
В процессах водоподготовки и очистки сточных вод са-
мые различные материалы постоянно контактируют с во-
дой. Это — материалы, применяемые для строительства
гидротехнических сооружений и сооружений водопровода
и канализации, материалы трубопроводов, транс-
портирующих воду различного состава, материалы машин
и механизмов, охлаждаемых водой, и т.д. В практике во-
доснабжения и канализации широко применяются чугун,
сталь и железобетон. Активное воздействие воды на эти
материалы проявляется в коррозии металлов.
29. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ
Коррозией называется процесс разрушения поверхности
металла в результате химического или электрохимического
воздействия на нее окружающей среды. Коррозия металлов
в водной среде по своей природе — процесс элект-
рохимический. Роль коррозионных агентов при этом вы-
полняют растворы электролитов.
Химически чистая вода — очень слабый электролит
(см. 2). Электропроводность природных и сточных вод
значительно выше, так как они содержат достаточно много
разнообразных солей, диссоциирующих в воде на ионы.
Электропроводность металлов объясняется наличием в
кристаллической структуре свободных или очень
подвижных электронов. При контакте металлической
поверхности с водой заряженные частицы металла
(катионы) могут переходить в раствор, а электроны оста-
ются в металле. В результате водный слой, кон-
тактирующий с металлом, приобретает положительный за-
ряд, а оставшиеся в металле некомпенсированными элек-
троны сообщат ему отрицательный заряд. Вследствие элек-
тростатического взаимодействия разноименно заряженных
водного слоя и поверхности металла перешедшие в раствор
катионы металла будут удерживаться на определенном рас-
стоянии от его поверхности.
134
Если бы в этой системе не происходило никаких других
электрохимических процессов, дальнейший переход ионов
металла в раствор бы бы невозможен, и процесс коррозии
прекратился бы. Однако границе металл—электролит свой-
ственна электрохимическая неоднородность, обусловленная
как различиями в физико-химическом состоянии отдельных
участков поверхности металла, так и даже незначитель-
ными колебаниями концентрации электролита и раство-
ренных в нем газов, неодинаковостью физических условий
в разных точках. Вследствие этого на некоторых участках
металлической поверхности оказывается возможным
взаимодействие избыточных положительных ионов раствора
с избыточными отрицательными зарядами металла—элек-
тронами. Электростатическое взаимодействие заряженного
раствора и металла при этом нарушается, ионы металла
вновь могут поступать в раствор.
Поскольку и металл, и электролит являются сложными
системами, содержащими электрические заряды, на границе
металл—раствор возникает скачок электрического потенциала,
который называют электродным потенциалом. Электрохимиче-
ская неоднородность границы металл-элек тралит привадит к
тому, что элекградный потенциал, возникающий на отдельных
ее участках, оказывается различным. Это различие в элект-
родных потенциалах на некоторых участках границы металл-
элсктролит приводит к возникновению электрохимических пар
(анодных и катодных участков), между которыми протекает
коррозионный ток.
Электрохимическая коррозия протекает как два доста-
точна самостоятельных процесса:
1) анодный процесс, состоящий в переходе ионов ме-
талла в раствор: для железа он может быть представлен
следующим образом:
[Fe2+ + 2е | -* Fe2+ + [2с 1; (16)
металл раствор металл
2) катодный процесс, заключающийся во взаимо-
действии избыточных электронов металла с каким-либо
атомом или ионом, способным восстанавливаться; основ-
ными реакциями на катоде являются восстановление про-
тона до газообразного водорода
2Н+ + 2е -* Н + Н -* Н2 (17)
и восстановление кислорода с образованием гидроксид-
ионов
13S
1/202 + Н20 + 2e‘ — 20H'. (18)
Анодные и катодные участки могут быть территориаль-
но разделены, так. как и металл, и раствор являются про-
водниками; первый обладает электронной проводимостью,
второй — ионной проводимостью. Ток между анодом и
катодом протекает в результате движения электронов в
металле и ионов в растворе в соответствии со знаком за-
ряда. При электрохимической коррозии разрушение метхт-
ла происходит только на анодных участках, тогда как на
катоде потерь металла не обнаруживается.
Процесс коррозии может замедляться в результате
поляризации анода и катода. Поляризация проявляется в
уменьшении разности потенциалов анода и катода, приво-
дящем к уменьшению силы тока. Анодная поляризация
возникает вследствие того, что ионы металла не успевают
диффундировать в глубину электролита и накапливаются у
поверхности анода. Катодная поляризация вызывается в основ-
ном торможением процессов подвода к катоду ионов, способ-
ных восстанавливаться, и отвода от него продуктов реакции.
Любое вещество, ион или атом, способствующие умень-
шению поляризации, а следовательно, ускоряющие кор-
розию, называются деполяризаторами. Основными
реакциями деполяризации катода являются реакции (17)
и (18). Совокупность выражений (16) и (17) символизирует
процесс коррозии с водородной деполяризацией. В этом
случае атомы водорода образуют на катоде молекулы Нг,
которые, собираясь в виде пузырьков, отрываются от повер-
хности катода, освобождая ее и способствуя тем самым
дальнейшему протеканию коррозии. Уравнения (16) и (18)
в сумме описывают процесс коррозии с окислительной или
кислородной деполяризацией.
На рис. 21, а показана схема коррозии железа в не-
аэрируемой среде. Процесс коррозии протекает с водород-
ной деполяризацией, сопровождающейся увеличением pH
на катодных участках вследствие разряда ионов Н+.
Теоретически при pH >5,5 оказывается возможным обра-
зование Fe(0H)2 и осаждение его на поверхности металла
с образованием защитной пленки, препятствующей даль-
нейшему распространению коррозии. На практике
защитные свойства гидроксида двухвалентного железа ока-
зываются достаточно низкими, так как он легко смывается
током воды. Тем не менее в щелочной среде, когда кон-
136
Рис. 21. Схема процесса коррозии
а — в яеаэрируемой среде; б — в аэрируемой среде
6)
АНОД
КАТОД
центрация ионов Н+ оказывается недостаточной для под-
держания катодной реакции, процесс коррозии не так опа-
сен, как в кислой среде.
Коррозия в аэрируемой среде (рис. 21, б) протекает в
соответствии с уравнениями (16) и (18). Подшслачивание
среды у катода происходит в результате непосредственного
образования гидроксид-ионов. При наличии растворенного
кислорода в среде образующийся гидроксид двухвалентного
железа окисляется до Fe(OH)3 — соединения малораст-
воримого, способного образовывать более стойкую
защитную пленку, чем Fe(OH)2.
Кислород в процессе коррозии выполняет двоякую
функцию; с одной стороны, он является очень активным
деполяризатором и ускоряет процесс коррозии, с другой, —
участвуя в окислении Fe(OH>2, способствует образованию
защитной пленки Fc(OH)3 на аноде, т.е. замедлению кор-
розии. По этим причинам суммарное действие кислорода
на развитие процесса коррозии может быть различным в
зависимости от условий. Как и при коррозии с водородной
деполяризацией, повышение значения pH способствует за-
медлению процесса коррозии.
Величина электродного потенциала, возникающего на
поверхности железа, контактирующего с водой, в
значительной степени зависит от концентрации кислорода,
так как железо относится к металлам, способным
пассивироваться. Даже при очень небольшой разнице в
притоке кислорода к различным участкам металлической
поверхности на ней возникают зоны с различной степенью
аэрации, а следовательно, с различным электродным
137
потенциалом. Та часть поверхности, к которой приток
кислорода больше, становится более пассивной, потенциал
ее выше, следовательно, она будет работать как катод.
Участок с более слабой аэрацией станет анодным.
Таким образом, на поверхности металла в результате
различия в степени аэрации возникают электрохимические
пары, называемые парами дифференциальной аэрации.
Разница в электродных потенциалах таких пар очень не-
велика и может составлять всего несколько милливольт,
однако коррозия, вызываемая ими, не меньше, а для же-
леза даже больше, чем от обычных электрохимических пар.
30. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ
ПРОЦЕССА КОРРОЗИИ
ъ На скорость и интенсивность коррозии оказывает
влияние как характер обработки поверхности металла, так
и состав и условия воздействия внешней среды (в расс-
матриваемом случае виды). Грубо обработанная поверхность
активно корродирует, тогда как шлифовка и полировка
металла повышают устойчивость его против коррозии. По-
верхность металла может стать пассивной в результате
образования на ней защитной оксидной пленки. Пассивация
наблюдается при контакте металла с сильными окислите-
лями, в том числе с кислородом.
Основными определяющимися факторами коррозии в
водной среде являются углекислотное равновесие и кон-
центрация растворенною кислорода. На интенсивность про-
цесса коррозии влияют также концентрация солей в воде
и присутствие в ней микроорганизмов.
Углекислотное равновесие. Различные соединения уг-
лекислоты в воде находятся в состоянии динамического
равновесия. Практическое значение имеет карбонагно-
кальциевая система равновесий, которая обусловливает
такие свойства воды, как стабильность и агрессивность:
Са(НСОз)2 СаСОз + СОг + НгО. (19)
пол у связанная связанная свободная
углекислота углекислота равновесная агрессивная
углекислота углекислота
В условиях равновесия концентрация свободной уг-
лекислоты в воде точно соответствует тому ее количеству,
которое необходимо для поддержания в растворе опреде-
ленной концентрации гидрокарбоната кальция. Это равно-
138
вссная углекислота. Если количество СО? в точности отве-
чает равновесной концентрации, вода называется
стабильной, в ней не происходит ни растворения, ни вы-
падения карбонатов.
Если концентрация СО? меньше равновесной, реакция
(19) проходит слева направо, в результате чего карбонат
кальция — соединение малорастворимос — выделяется на
поверхности металла, образуя пленку с выраженными
защитными свойствами.
Избыток СО? сверх равновесной концентрации назы-
вается агрессивной углекислотой. Углекислотная аг-
рессивность воды по отношению к металлам обусловлена
понижением pH воды. Кроме того, защитная пленка кар-
боната кальция при контакте с агрессивной водой раство-
ряется, что способствует развитию коррозии.
Стабильность воды оценивают рядим способов, один из
которых — определение разности величин pH исследуемой
воды (рНо) и воды с равновесными концентрациями со-
единений углекислоты (pHsj. Разность между
этими величинами называется индексом насыщения: /-
- рНо — pHs. Если Т=0, вода считается стабильной; при
Г 0 вода способна выделять карбонат кальция; при
1<0 вода обладает коррозионными свойствами.
Концентрация солей в воде. R очень чистой
деионизированной воде в присутствии кислорода скорость
коррозии железа очень незначительна. Увеличение общего
солесодержания повышает электропроводность воды и,
таким образом, приводит к ускорению коррозионных про-
цессов. Однакс значительное повышение концентрации со-
лей может принести к снижению скорости коррозии в
результате уменьшения растворимости кислорода.
Некоторые катионы и анионы, присутствующие в воде,
играют роль стимуляторов коррозии. Например, хлорид-
иины могут замещать кислород в защитной оксидной плен-
ке, что приводит к образованию в ней пор и облегчает
начало коррозии. Сульфаты ускоряют коррозию непосред-
ственно, увеличивая электропроводность, и косвенно, спо-
собствуя развитию биологической коррозии. К числу стиму-
ляторов коррозии относятся также ионы металлов с пере-
менной степенью окисления, например Си Си , Fe •
— Fe . Они ускоряют реакцию на катоде, выполняя роль
деполяризатора;
Fe3+ + е’ — Fe2+. (20)
139
В растворе Fc2* кислородом вновь окисляется до Fe3 .
Хроматы, силикаты, гидроксил-ионы, напротив, снижа-
ют интенсивность коррозионных процессов, способствуя
образованию защитных пленок на металле.
31. РОЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ
Многие виды бактерий являются активными кор-
розионными агентами. Наибольшее значение имеют группы
бактерий, участвующих в превращениях железа и серы.
Роль микроорганизмов в процессах коррозии своди гея
к ускорению деполяризации катода путем ферментативною
переноса электронов, выделению коррозионных продуктов
обмена, образованию пар дифференциальной аэрации. В
зависимости от условий механизм микробиологической
коррозии может быть объяснен одним из перечисленных
процессов или их совокупностью.
Железобактерии. Активными участникдми коррозии
железа в иодной среде являются железобактерии родов Galli
onella, Crenoihrix, Leptothrix. С их деятельностью связы-
вают микробную аэробную коррозию водопроводных труб.
Поселяясь в трубах, бактерии образуют на их стенках
слизистые скопления, обладающие высокой механической
прочностью и поэтому не смываемые током воды. Проч-
ность этих образований обусловлена волокнистой структу-
рой оболочек железобактерий.
Коррозия начинается с образования на внутренней
поверхности трубы желтых или темнокоричневых налетов
или каверн, состоящих из гидроксида трехвалентного же-
леза. Каверны образуются, как правило, на неровностях
труб. Участки труб под кавернами оказываются
изолированными от воды и доступ кислорода к ним за-
труднен. Напротив, участки, омываемые водой, аэрируются
хорошо. Таким образом, развитие железобактерий приводит
к образованию на поверхности трубы зон с различной сте-
пенью аэрации. Возникновение коррозионною тока обус-
ловлено образованием пар дифференциальной аэрации с
различными значениями электродных потенциалов, уста-
навливающихся на участках, покрытых кавернами и сво-
бодных от них. Участки под кавернами функционируют
как аноды, процесс коррозии на них описывается урав-
нением (16). На хорошо аэрируемых участках с более вы-
соким потенциалом протекает катодная реакция депо-
ляризации, описываемая уравнением (18).
14U
Деятельность железобактерий на анодных участках
приводит к окислению Fez в трехвалентное железо (см. 16)
и его гидролизу. Образование гидроксида трехвалентного же-
леза сопровождается снижением pH до 5—6, т.е. созданием
коррозионной среды. Кроме того, в результате интенсивного
потребления кислорода железобактериями и роста отложений
Fe(OH>3 анаэробные условия на анодных участках усугубля-
ются, что приводит к увеличению разности потенциалов между
катодом и анодом, а следовательно, к ускорению процесса
коррозии. Таким образом, механизм микробиологической кор-
розии с участием железобактерий объясняется совокупностью
перечисленных выше трех процессов.
Бактерии, участвующие в превращениях серы и вызы-
вающие микробиологическую коррозию металлических кон-
струкций, представлены группами сульфатрсдуцирующих и
сероокисляющих бактерий (см. 16).
Из сульфатредуцирующих бактерий основными
инициаторами коррозии являются бактерии рола
Dcsulfovibrio — строгие анаэробы, способные восста-
навливать сульфаты, используя молекулярный водород. Ис-
точником углерода для них служат органические вещества
Следует отметить, что микробиологическая коррозия этого
типа, как правило, является вторичным процессом и
развивается вслед за обычной электрохимической кор-
розией. При этом под слоем ржавчины — продукта кор-
розии — создаются благоприятные анаэробные условия для
развития сульфатредуцирующих бактерий. Необходимым
условием для начала процесса является наличие сульфатов.
В природных и сточных водах они всегда есть.
Суммарно процесс микробиологической коррозии с
участием бактерий рода Dcsulfovibrio описывается следу-
ющим выражением:
4Fe2+ + SO4> 2Н* + 2HiO -* Fe(OH)2 + FeS.
При этом на катоде притекает реакция
SO4 + Ме2+ + 4Н2 -* S2’ + Me24 + 4Н?О,
(21)
где Ме2+
ион SOl.
— щелочной или щелочноземельный металл, компенсирующий
Из уравнения (21) видно, что на восстановление одно-
го моля сульфат-иона требуется восемь атомов водорода,
которые можно получить с катодного участка металличе-
ской поверхности. Ферментативный процесс переноса элек-
тронов в этой реакции с участием сульфатредуцирующих
бактерий идет (по данным Бункера) в 19,5 раза быстрее,
141
чем при обычной коррозии, поэтому катодная депо-
ляризация протекает чрезвычайно интенсивно, и скорость
процесса коррозии серьезно возрастает. Процесс сопровож-
дается образованием вторичных продуктов коррозии:
S2’ + Fe2+ — FeS; 3Fe2+ + 6ОН' — 3Fe(OH)2.
Сульфатредуцирующие бактерии часто развиваются под
массой железобактерий, обеспечивающих им строго анаэ-
робные условия. В этом случае выделяющийся при восста-
новлении сульфатов сероводород вступает во взаимо-
действие с гидроксидом трехвалентного железа — продук-
том жизнедеятельности железобактерий:
3H2S + 2Fe(OH)3 -* 2FeS + S + 6Н2О.
Среди бактерий, окисляющих соединения серы, важ-
нейшими возбудителями микробиологической коррозии
являются тионовые бактерии и бесцветные серобактерии.
Первые окисляют серу, тиосульфаты, тионаты до серной
кислоты, выделение которой в среду приводит к кор-
розионным процессам:
2S + ЗО2 + 2Н2О — 2H2SO4, (22)
2320з'+ ЗО2 + 4Н2О -* 4H2SO4.. (23 >
Кроме того, некоторые тионовые бактерии способны
окислять закисное железо до окисного, которое, принимая
электроны с поверхности металла, играет роль деполяриза-
тора катода {реакция (20)].
Бесцветные серобактерии осуществляют реакции (6) и
(7) (см. 16), приводящие к подкислению среды и созданию
благоприятных услоьий для коррозии.
32. ЗАЩИТА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ
И КОНСТРУКЦИЙ ОТ КОРРОЗИИ
Основными способами защиты поверхности металла от
коррозии являются нанесение на металлическую поверх-
ность защитного слоя и электрохимическая зашита.
Для защиты трубопроводов обычно применяют первый
способ. Наружную поверхность труб защищают от коррозии
нанесением слоя каменноугольной смолы. Для внутренней
поверхности чугунных труб применяют битумные или
полимерные покрытия, которые наносятся при изготовлении
труб на заводе.
Предотвратить или замедлить коррозию можно путем пред-
варительной обработки транспортируемой по ним веды. В этом
случае к воде добавляют соответствующие реагенты, которые
14?
обеспечивают осаждение на внутренней поверхности труб не-
растворимых соединений, образующих защитную пленку. Так
называемая стабилизационная обработка воды — один из самых
эффективных способов борьбы с коррозией водопроводных труб,
В начальный период эксплуатации водопроводной системы в
воде поддерживают индекс насыщения /-0,5—0,7. При транс-
портировании такой воды по трубам по всему их периметру
откладывается слой карбоната кальция, предотвращающий не-
посредственный контакт воды с металлом. Для сохранения
сформировавшейся защитной пленки необходимо поддерживал»
индекс насыщения в воде, подаваемой потребителю, близким
к нулю. Для этого при необходимости воду подвергают
стабилизационной обработке, заключающейся в изменении в
воде соотношения концентраций полусвязанной и свободной
углекислоты.
При положительном индексе насыщения воду обраба-
тывают соляной или серной кислотой. При этом содержание
в воде ионов НСОз снижается, а концентрация СОг воз-
растает согласно реакции
НСОз + Н+ -* СО2 + Н2О,
вследствие чего выпадение из воды карбоната кальция
прекращается.
При 1 воду подщелачивают известью или содой. В
результате агрессивная углекислота связывается в ионы
НСОз по реакции
СОг + ОН НСОз;
в результате такой обработки вода перестает быть кор-
розионной.
К числу веществ, добавление которых к воде привадит к
образованию защитных пленок и торможению процесса кор-
розии, относятся гоксаметафхфат назрия и жилкое стекло. При
обработке воды гексамстафисфатом образуются мдлорзег-
воримые соединения типа Са |Са2(РОз)б ], которые цементируют
коррозионные отложения, делают их плотными и малопроница-
емыми для воды и кислорода. Применение жидкого стекла для
зашиты от коррозии основано на его способное» и взаимодейст-
вовать с ионами к;пт!.£д,ия и магния, присутствующими f воде,
и образовывать защитную пленку, состоящую из силикатов
указанных металлов.
Сущность электрохимической защиты состоит в пре-
дотвращении растворения железа на анодных участках по
реакции (16) путем присоединения к системе анодов (про-
143
текторов), изготовленных из металлов с более отрицатель-
ным электродным потенциалом, чем защищаемый металл.
Для защиты стальных конструкций могут быть использо-
ваны аноды из цинка, алюминия и их сплавов. Защища-
емое сооружение выполняет роль катода, и, так как раз-
ность потенциалов протектора и сооружения больше, чем
на анодных и катодных участках металлической поверх-
ности, реакция растворения протекает на аноде-протекторе.
Универсальных средств зашиты от микробиологической
коррозии не существует. Описанные методы создания
защитных покрытий обеспечивают изоляцию металличес-
кой поверхности от воды, а следовательно, и от
микробиального воздействия. Б некоторых случаях могут
использоваться бактерицидные или бактериостатическое ве-
щества. Эффективным бактериостатом для сульфатре-
ду пирующих бактерий является кислород, поэтому
усиление аэрации способствует замедлению коррозии, вы-
званной сульфатредуцирующими бактериями. Как мера
предотвращения микробиологической коррозии этого типа
может быть использовано подщелачивание среды (когда это
возможно), так как рост и развитие сульфа тредуцирующих
бактерий полностью подавляется при pH-9.
ГЛ АВ А 12. РАЗРУШЕНИЕ БЕТОНА
И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДЫ
Бетон и железобетон являются основными материалами,
используемыми в строительстве сооружений водопровода и
канализации. Вода, активно воздействуя на эти материалы,
вызывает их разрушение, что может привести к нарушению
технологаческих процессов, снижению пропускной способ-
ности трубопроводов, ухудшению качества воды.
33. ПРИЧИНЫ РАЗРУШЕНИЯ БЕТОНА И ЖЕЛЕЗОБЕТОНА
ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ВОДЫ
Возможность и скорость разрушения бетонных и же-
лезобетонных конструкций под воздействием воды зависят
144
как от состава и структуры бетона, его плотности и во-
допроницаемости, так и от состава веды, контактирующей
с ними, и от условий этого контакта.
Считается, что арматура железобетона не корродирует
до тех пор, пока слой плотного водонепроницаемого бетона,
защищающего ее, по тем или иным причинам не наруша-
ется. Появление трещин и постепенное разрушение бетона
обеспечивают доступ агрессивной среды к арматуре и спо-
собствуют развитию коррозии. Коррозия арматуры желе-
зобетона имеет электрохимическую природу. С развитием
коррозии объем образующейся ржавчины постепенно
увеличивается, что с свою очередь приводит к разрыву
слоя бетона вдоль арматуры.
Основными причинами разрушения бетонных соору-
жений являются неудовлетворительное качество бетона и
недостаточно тщательная укладка его, перенапряжение ма-
териала, механические воздействия, такие, как повышенная
скорость движения воды и резкие изменения температуры.
Химическая деградация бетона вызывается действием аг-
рессивной углекислоты, сильнокислой или сильношелочной
среды, действием различных солей и т.д. Немаловажную
роль в разрушении бетона играют бактериальные процессы.
Химическое разрушение бетона вызывается процессами трех
типов: 1) растворение в водной среде компонентов бетона:
2) химическое взаимодействие компонентов бетона с присут-
ствующими в воде веществами, сопровождающееся выносом
продуктов реакции в веду и ослаблением механической проч-
ности бетона; 3) образование в теле бетона продуктов
химических реакций, вызывающих разрыв и разрушение бетона.
Действие агрессивной углекислоты. При твердении бе-
тона в нем образуется около 10% свободного гидроксида
кальция. Это обеспечивает создание сильнощелочной среды
с pH - 14. Такой бетон обладает защитными свойствами
по отношению к арматуре.
Действие агрессивной углекислоты на бетон проявляется
в выщелачивании из бетона извести. По современным пред-
ставлениям этот процесс является одной из основных
причин разрушения бетона. Выщелачивание извести, или
процесс карбонизации бетона, описывается реакцией
Са(ОН>2 + СО2 -* СаСОз + Н2О. (24)
Карбонизация может быть поверхностной, и в этом слу-
чае стойкость бетона увеличивается, так как образующаяся
145
корка СаСОз обладает защитными свойствами. Однако в
условиях постоянного контакта с агрессивной углекислотой
этот слой легко растворяется в соответствии в реакцией
СаСОз + СОг + Н2О -* Са(НСОз)2. (25)
Совокупность реакций (24) и (25) приводит к выще-
лачиванию из бетона извести и переводу ее в растворимый
гидрокарбонат кальция.
Процесс карбонизации может происходить не только
на поверхности, но и в толще бетона, что приводит к
уменьшению его механической прочности и снижению
защитных свойств по отношению к арматуре. Карбонизация
в толще бетона обычно происходит на отдельных участках
бетона, в местах трещин, пустот и других дефектов.
Влияние pH. Значение pH водной среды, кон-
тактирующей с бетоном, не должно выходить за пределы
6—9. Разрушающее действие кислот на бетой возрастает
с увеличением растворимости образующихся кальциевых
солей в ряду серная кислота, азотная и соляная. Сильно-
щелочные соединения, присутствующие в сточных водах,
приводят к растворению алюмосодержащих компонентов бе-
тона и таким образом нарушают его структуру.
Влияние ионного состава воды. Скорость разрушения
бетона зависит от ионного состав воды. Например, если
вода содержит много аммонийных соединений, то при кон-
такте ее с сильнощелочной средой в теле бетона может
наблюдаться выделение аммиака, ускоряющего растворение
извести и разрушение бетона. Аналогичное действие ока-
зывают соли магния и любые более слабые, чем известь,
основания. Особенно агрессивной по отношению к бетону
является вода, содержащая одновременно повышенные кон-
центрации соединений аммония и магния и сульфаты.
Наличие в воде некоторых ионов, способных вовле-
каться в биологические процессы, провоцирует развитие
микроорганизмов, продукты жизнедеятельности которых
могут разрушающе действовать на бетон. К числу таких
микроорганизмов относятся, например, нитрификзторы и
сероокисляющие бактерии, развитие которых сопровожда-
ется подкислением среды.
Влияние микроорганизмов. Микробиальные процессы
разрушения бетона чаще всего связаны с деятельностью
бактерий, осуществляющих превращение серы, и наблюда-
ется обычно в канализационных коллекторах.
146
Рис. 22. Схема бактериальных процес-
сов в канализационном коллекторе
ВГгДГА * ТИОНЛВЫТ.
PF ДУЦИР»НТЩИ| F.AKlFPHH
При транспортировании сточной воды по самотечным
каналам и трубопроводам со скоростью, меньшей, чем са-
моочищающая скорость, возможно выпадение взвешен »ых
примесей воды осадок. Находясь под слоем воды в ана-
эробных условиях, осадок может загнивать. При этом соз-
даются оптимальные условия для жизнедеятельности суль-
фатреду цирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты
при сопряженном окислении органических веществ (см.
16) с образованием HiS.
Разрушение бетона происходит в основном в верхней
части трубопровода над уровнем воды (рис. 22). Условия
в этой зоне (наличие кислорода, сероводорода, влаги) ока-
зываются очень благоприятными для развития тионовых
бактерий и бесцветных серобактерий, осуществляющих со-
ответственно реакции (22) и (23), (7). Образующаяся в
результате этих реакций серная кислота и является
причиной разрушения бетона.
Для предотвращения развития этих микробиальных
процессов прежде всего необходимо поддерживать такую
скорость движения воды в трубопроводе, при которой не-
возможно образование осадков. Следует также избегать
турбулентности потока, чтобы предотвратить выделение из
воды кислорода. В особо опасных случаях рекомендуются
предварительное отстаивание и аэрация сточной воды.
34. ОСОБЕННОСТИ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОРСКОЙ
ВОДЫ НА БЕТОН
Особенностью состава морской воды является высокое
солесодержание, достигающее 25—40 г/л. В отличие от во-
ды пресных поверхностных водоемов, в которой преобла-
дают ионы Са , Mg , НСОз, SOi, основу ионного состава
морской воды составляют хлориды, а из катионов преоб-
147
ладает натрий. Однако если говорить об абсолютном со-
держании того или иного иона, концентрация большинства
из них в морской воде оказывается более высокой.
Химическое воздействие морской воды на бетон про-
является во взаимодействии солей и ионов с компонентами
бетона. Например, под действием сульфатов происходит
сульфатация свободного гидроксида кальция в бетоне:
Са<ОН)2 + N32SO4 + 2Н?О -* Ca(SO4> 2Н2 +2NaOH.
Далее сульфат кальция взаимодействует с алюминатами
цемента:
3CaSO4’2HzO + ЗСаО AI2O3 12Нг О +17Н2О -
— ЗСаОА120зЗСа8О4 311120. (2б)
Образующийся в результате этих реакций сульфон-
люминзт кальция называют "цементной бациллой". Он
обладает способностью расширяться в 2—2,5 раза, что
приводит к разрушению бетона.
Разрушающее действие на бетон оказывают ионы
магния. Взаимодействуя с кальциевым алюминатом, они
вытесняют из него кальций:
ЗМ&2+ + ЗСаО AI2O3 + rtHzO —
~«-ЗСа + 2А1(ОН)з + 3Mg(OH)2 + (п—6)Н2О. (27)
Свободный гидроксид кальция в бетоне в результате
реакции с сульфатом или хлоридом магния превращается
в хорошо растворимые соли, вымываемые из бетона:
Са(ОН)2 + MgCl2 -* СаС12 + Mg(OH)2. (28)
Образующиеся в результате реакций (27) и (28)
А1(ОН)з и Mg (ОН) 2 представляют собой аморфные студ-
необразные вещества, постепенно заполняющие микропоры,
поры и трещины в бетоне и превращающие его в несвя-
занную массу, так как не обладают вяжущей способностью.
Разрушение бетона в результате химического взаимо-
действия с водой ускоряется механическим воздействием,
приливно-отливными колебаниями, ударами волн.
Морская вода — естественная среда обитания разнооб-
разных животных и растительных организмов. Некоторые
из них ведут прикрепленный образ жизни, поселяясь на
подводных предметах, в том числе на бетонных и желе-
зобетонных сооружениях. Оргаиизмы-обрастатели развива-
ются и в водоводах морской воды, попадая туда в личиноч-
ной стадии и прикрепляясь к стенкам труб
148
Установлено, что химическое разрушение бетона в мор-
ской воде вызывают обрастания, состоящие из животных
организмов, главным образом мидий и морских желудей-
балянусов. В процессе дыхания животные-обрастатели вы
деляют углекислый газ, в результате чего защитная корка
СаСОз на бетоне растворяется.
Растительные организмы не разрушают бетон, так как
поглощают углекислоту в процессе фотосинтеза и тем са-
мым снижают ее концентрацию в пристенном слое воды.
Таким образом, разрушение бетона в морской воде
обусловлено совокупным действием химических, ме-
ханических и биологических процессов.
35. ЗАШИТА БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
СООРУЖЕНИЙ ОТ РАЗРУШЕНИЯ
Для предотвращения разрушения бетона и коррозии
арматуры в железобетоне разработано несколько спосо-
бов их защиты.
Надежная защита арматуры обеспечивается
правильным подбором состава бетона, достаточной
толщиной защитного слоя бетона, его уплотнением. В
качестве специальных мер применяются предварительное
покрытие арматуры слоем битумной краски, смешанной
с цементом, и электрохимическая защита. Для защиты
бетона используют битумные покрытия и лаки. Бетон
низких марок пропитывают полимеризующимися соста-
вами, заполняющими капилляры, поры и трещины в
бетоне и препятствуюгцимисм прониканию в него воды.
Глава 13. ОБРАЗОВАНИЕ ОТЛОЖЕНИЙ
И БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАСТАНИЙ
В ТРУБОПРОВОДАХ И СООРУЖЕНИЯХ
Сооружения водопровода и канализации, как правило,
связаны с тем или иным поверхностным водоемом. Для
сооружений городского и промышленного водопровода
поверхностный водоем является источником водоснабжения,
для канализационных очистных сооружений —
приемником сточных вод.
149
Качество воды в поверхностном водоеме и его биона-
селение нередко обусловливают появление отложений и
развитие биологических обрастаний в трубопроводах и
гидротехнических сооружениях. В то же время сброс сточ-
ных вод в водоем может вызвать развитие подобных обра-
станий на дне и береговой полосе водоема и существенно
повлиять на качество воды в нем.
Таким образом, водоем и сооружения водопровода
или канализации образуют единую взаимосвязанную и
взаимозависимую систему. Рассмотрим характер и
причины отложений и биологических обрастаний в не-
которых из этих систем.
зб. характеристик а отложений в трубах,
ПРИЧИНЫ ИХ ПОЯВЛЕНИЯ И БОРЬБА С НИМИ
На внутренней поверхности труб, транспортирующих
воду, часто образуются отложения, характер которых обус-
ловлен свойствами воды и режимом ее движения. Появ-
ление отложений уменьшает живое сечение трубопровода
и снижает его пропускную сшюобность.
Недостаточная скорость движения неочищенной воды в
трубопроводе приводит к выпадению из нее грубодиспер-
сных примесей и образованию донных отложений. Отло-
жения органического происхождения легко загнивают и
способствуют ухудшению качества воды и разрушению же-
лезобетонных труб (см. 33). К неорганическим отло-
жениям относится, например, гидроксид железа. Такие
отложения постепенно уплотняются и цементируются
различными примесями волы, выпадающими в осадок. Рас-
смотренный в гл. 11 процесс коррозии приводит к обра-
зованию бугристых отложений неправильной формы,
состоящих также из гидроксида железа. Образование
бугристых отложений повышает шероховатость поверхности
труб и увеличивает потери напора в них. Кроме того, на
бугристых отложениях легко оседают и задерживаются
взвешенные частицы. Постепенное сплошное зарастание
труб возможно в результате выпадения карбоната кальция,
если по трубам постоянно транспортируется вода с
положительным индексом насыщения. Наконец, при экс-
плуатации систем водяного охлаждения на поверхности
теплообмена возможно образование накипных отложений.
ISO
Накипь состоит в основном из карбоната кальция, выпа-
дающего из воды при ее нагревании. Повышение темпе-
ратуры сдвигает равновесие реакции
2ПСОз СОз + СО2 + Н2О
вправо, что приводит к потере растворенной углекислоты
и при наличии в воде ионов кальция к образованию СаСОз.
Вместе с карбонатом кальция к поверхности труб
"прикипают" взвешенные вещества, увеличивающие общий
объем отложений.
Основными мерами борьбы с отложениями являются:
поддержание определенной скорости движения воды для
предотвращения выпадения взвешенных в ней примесей,
предупреждение коррозии, стабилизационная обработка во-
ды, умягчение ее с целью предупреждения накипсобразо-
вания.
37. РАЗВИТИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАСТАНИЙ
В СИСТЕМЕ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИИ И БОРЬБА С НИМИ
Биологические обрастания образуют организмы,
привнесенные в систему с водой из поверхностного
источника и приспособившиеся к условиям существования
в водозаборных устройствах, трубопроводах, на теплооб-
менных поверхностях аппаратов, в охладителях оборотной
воды.
В системах оборотного водоснабжения биологические
обрастания появляются в тех случаях, когда создаются бла-
гоприятные условия для жизнедеятельности тек или иных
организмов: наличие питательных веществ и подходящего
температурного режима. Полагают, что появление обра-
станий неизбежно, если перманганатная окисляемость воды
превышает 4—6 мг/л. Процесс интенсифицируется
наличием в воде фосфорных соединений.
В настоящее время на многих промышленных
предприятиях для охлаждения аппаратов используют
очищенные сточные воды. Очищенные производственные
сточные воды, как правило, отличаются от природной воды
повышенным солссодержанием и могут быть обогащены
специфическими примесями. Использование такой воды в
оборотных системах может интенсифицировать накипеоб-
разоьание (при повышении концентрации кальция и
151
магния), разрушение бетоиа и коррозию металла (при
повышении содержания хлоридов и сульфатов).
Городские сточные воды после доочистки на песчаных
фильтрах и обеззараживания, используемые для охлаж-
дения. могут интенсифицировать развитие биологических
обрастаний, так как обладают повышенной биогенностью,
обусловленной наличием органических примесей, со-
единений азота и фосфора.
Характер и скорость развития биологических обра-
станий зависят от температурных условий. В источнике
водоснабжения количественный и качественный состав
бионаселения меняется по сезонам гида. В открытых
охладителях обо^ютной воды (градирнях, брызгальных бас-
сейнах, прудах) интенсивность биологических процессов
обрастания также неодинакова в течение года. Рост биомас-
сы практически не изменяется только в закрытых тепло-
обменных аппаратах, где поддерживается постоянный тем-
пературный режим.
Основу биологических обрастаний теплообменных ап-
паратов и трубопроводов составляют бактерии. Процесс
обрастания начинается с появления на поверхности, омы-
ваемой водой, слизистой пленки. Исследования показали,
что большая часть бактериального обрастания образована
зооглейными бактериями — Zoogloearanngera. Интенсивно
развиваются также нитчатые бактерии рода Sphaerotilus,
при повышенном содержании железа в воде в составе обра-
станий обнаруживаются железобактерии (см. 16). Обра-
зование механических, отложений, особенно органического
происхождения, в трубопроводах способствует развитию
бактерий и других гидробионтов.
Кроме бактерий в составе бжюбрастаний теплообмен-
ных аппаратов и трубопроводов обнаружены простейшие,
грибы, черви, коловратки. Основными представителями
простейших-обрастателей являются инфузории родов
Paramecium, Vorticella, Carchesium и раковинные амебы.
Среди червей встречаются нематоды и олигохеты. Иногда
в составе обрастаний появляются мшанки.
В охладителях воды (градирнях и брызгальных бассей-
нах) характер биологических обрастаний отличается от
описанного выше только присутствием большого количества
водорослей. Водоросли развиваются на освещенных, омы-
ваемых водой поверхностях. Весной и осенью растительные
обрастания представлены в основном диатомеями, в теплый
152
период года развиваются зеленые водоросли и цианобак-
терии.
Непрерывные биологические процессы в оброете приво-
дят к изменению качества контактируемой с ними воды.
Из воды извлекаются вещества, служащие пищей микро-
организмам, но в нее же поступают продукты жизнедея-
тельности организмов-обрастателей, отмершие клетки и
продукты их распада.
Большие затруднения в работе гидротехнических соо-
ружений вызывает моллюск дрейссена, который поселяется
в водоприемных камерах, грубых решетках, во всасыва-
ющих патрубках насосов. Личинки этого моллюска вместе
с водой попадают в систему оборотного водоснабжения и
в очистные сооружения, расселяются там и вызывают обра
стание трубопроводов и резервуаров. По наблюдениям
численность моллюсков на отдельных участках тракта
технического водопровода за год эксплуатации может
достигать 100 тыс.экз./м ‘ при толщине обрастания 25—
40 мм.
Биологические обрастания любого характера снижают
пропускную способность трубопроводов и резко снижают
интенсивность теплообмена, что приводит к нарушению
технологических процессов.
В зависимости от характера биологических обрастаний
применяют различные способы борьбы с ними.
Для борьбы с бактериатьным обросгом в системах обо-
ротного водоснабжения чаше всего применяют периодиче-
ское хлорирование оборотной воды. Необходимую дозу хло-
ра и периодичность обработки определяют эксперименталь-
но соответственно по хлоропоглощаемости и интенсивности
развития биообрастаний. Хлор вводят в воду без выклю-
чения системы из работы В настоящее время разработаны
и применяются химические и термические методы для борь-
бы с дрсйссеной, которые наиболее эффективны в началь-
ный период ее развития.
К химическим методам относятся хлорирование и ку-
поросование воды. Реагенты вводят непосредственно перед
водозабором. Обработка воды предусматривается в период
интенсивного размножения мо.шюсков в теплое время года.
Дозы реагентов определяются экспериментально и состав-
ляют обычно для хлора 4—10 мг/л, для медного купороса
1—6 мг/л (по иону меди).
153
Хлорирование производят непрерывно с мая по октябрь,
если вода имеет высокую хлоропоглощаемость. В противном
случае достаточно производить хлорирование дважды: вес-
ной и осенью, каждый раз в течение 10 дней. Купоро-
сованис также проводят с мая по октябрь 1 раз в 2 дня,
каждый раз в течение 1 ч.
Обработку воды медным купоросом применяют и для
борьбы с уже сформировавшимися обрастаниями в водово-
дах речной воды. Для агою их заполняют водой с кон-
центрацией меди 5 мг/л и выдерживают в течение 5 сут.
При такой обработке моллюски погибают полностью, сами
отрываются от поверхности трубопровода и могут быть уда-
лены из него путем промывки
Термический способ борьбы с дрейсссной основан на
том, что личинки и взрослые особи моллюска погибают
при температуре выше 32°С. По экспериментальным дан-
ным обработка обросшей поверхности водой с температурой
40—45°С в течение 5—15 мин приводит к гибели дрейс-
сены. Спустя 1—24 ч обработанная поверхность полно-
стью освобождаются от оброста.
Для предупреждения развития биологических обра-
станий применяют покрытие поверхностей специальными
красками или кузбасс-лаком.
Вопросы для самоконтроля
1 Какой процесс называется коррозией металла?
2 Чем объясняется коррозионная активность природный и сточных вод?
3 . Напишите уравнения реакций на анодных н катодных участках
металла
4 Что понимают под терминами ’анодная" и "катодная” поляризация?
5 . В чем главное отличие процесса коррозии в аэрируемой и неа-
эрируемоя среде?
6 Какие факторы способствуют замедлению коррозии0
7 . Какую роль в коррозионных процессах играет кислород?
8 Совокупностью каких реакций описывается карбонат но-кальииева я
система равновесий0
9 Что понимают под гермином "равновесная углекислота"?
10 . Как влияет pH на углекислотное равновесие**
11 . Что такое индекс насыщения0
12 Какая вода считается стабильной?
13 . Какую роль в процессах коррозии играют микроорганизмы?
14 Перечислите основные причины разрушения бетона под воздействием
воды.
15 . Назовите основные виды организмов-обрастателей.
154
РАЗДЕЛ 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ
и сточных вод
Гл а на 14. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Извлечение из воды разнохарактерных примесей
достигается, как правило, применением нескольких про-
цессов» сочетание и последовательность которых диктуются
качеством исходной воды и видом ее дальнейшего исполь-
зования.
Большинство рассматриваемых ниже процессов
применимы для очистки как природных, так и сточных
вод, в основе их лежат одни и те же закономерности и
лишь некоторые отличия обусловлены различиями в кон-
центрации и природе загрязнений.
Для наиболее сложного случая — очистки воды, со-
держащей примеси органической и неорганической
природы, по степени дисперсности относящиеся ко всем
четырем группам, совокупность процессов должна обес-
печить последовательное удаление взвешенных, кол-
лоидных и, наконец, растворенных веществ В такой пос-
ледовательности целесообразно было бы рассматривать и
теоретические основы соответствующих процессов. Однако
необходимо отметите, что при биохимической очистке сточ-
ных вод, коагулирований с последующим отстаиванием су-
щественную роль играют сорбционные процессы. Поэтому
эти процессы рассматриваются вначале, хотя в чистом виде
сорбция применяется для удаления из воды растворенных
примесей.
38. СОРБЦИЯ И КАТАЛИЗ
Сорбция — это процесс поглощения одного вещества
(сорбтива) другим (сорбентом) независимо от механизма
поглощения. Сорбция разделяется на виды: адсорбция, аб-
сорбция, хемосорбция.
Адсорбция — процесс изменения концентрации веще-
ства на границе раздела фаз. Сорбируемое вещество рас-
полагается на поверхности сорбента. Абсорбция — процесс
155
поглощения сорбтива всем объемом сорбента, когда извле-
каемое вещество проникает в поры сорбента. Если сорбция
сопровождается протеканием химических реакций, то она
носит название хемосорбция. Некоторые сорбенты имеют
в своем составе ионы, способные вступать в обменные
реакции с ионами раствора. Это явление называется обмен-
ной (или ионообменной) сорбцией.
Практическое значение для очистки воды имеет сорбция
на поверхности раздела твердое вещество—раствор. Основой
процесса адсорбции является взаимодействие молекул сор-
бента, обладающих на границе раздела фаз поверхностной
энергией, с молекулами адсорбируемых веществ. Чем
больше суммарная межфазовая поверхность, тем больше
ее поверхностная энергия и количество сорбированных ве-
ществ <см. 5). Сорбция сопровождается уменьшением
поверхностной энергии и протекает самопроизвольно.
При адсорбции растворенных веществ на твердых ад-
сорбентах в той или иной степени происходит адсорбция
растворителя, т.е. воды. Для уменьшения адсорбции воды
применяют гидрофобные сорбенты.
В качестве сорбентов для очистки воды применяют
различные пористые материалы: активные угли различных
марок, золу, коксовую мелочь, торф, активные глины и т.д.
В процессах подготовки воды для питьевых целей исполь-
зуют в основном активные угли.
Активность сорбента характеризуется количеством извле-
каемого вещества в расчете ни 1 м" или на 1 кг сорбента;
кроме того, она связана со структурой сорбента. Различают,
в частности, угли крупнопористые, мелкопориегые и смешан-
ные. Поры подразделяются на макропоры размером 0,1—
2 мкм, переходные поры размером 0,004—0,1 мкм и микро-
поры размером менее 0,004 мкм. Считается, что макропоры
и переходные поры задерживают вещества в малом количе-
стве и в основном играют роль транспортных каналов. Таким
образом, сорбционная емкость углей определяется наличием
в них микропор. Из активированных углей отечественных
марок наибольшей емкостью микронор обладают угли СКТ,
наименьшей — КАД молотый.
Одним из основных критериев оценки адсорбционных
свойств сорбента является изотерма сорбции. Изотерма
сорбции — это кривая зависимости количества поглощенного
вещества в расчете на единицу (объема или массы) сорбента
от концентрации сорбируемого вещества в растворе.
156
Рис. 23. Кривая сорбции
С — концентрация раствора; Г —
количество сорбируемО1 о вещества на
массовую единицу сорбента
Сорбция газов твердым сорбентом описывается изо-
термой Лэнгмюра (рис. 23), имеющей вид:
Г - Кс/<\ + Кс), (29)
где Г и /„ — количество адсорбированного вещества соответственно в
момен! времени /и предельно возможное, характерное для данного сорбента и
условии процесса, мцпь/см2; К — константа равновесия адсорбционного про-
цесса. вы раженная через отношение скоростей прямого и обрат кого процессов,
т.е. сорбции и десорбции; с — концентрация сорбтива в растворе, моль/л.
В силу общности кинетических представлений действие
уравнения (29) распространяется и на процесс сорбции
твердым сорбентом веществ из раствора.
В уравнении (29) К и 7'^ — константы. Если
величина с мала, то Кс « 1, тогда Г « , т.е. на-
блюдается линейная зависимость адсорбции от концент-
рации сорбируемого вещества. При другом граничном ус-
ловии, когда Кс •» 1, уравнение (29) сводится к предель-
ному значению Г • . Физически это означает, что сво-
бодной поверхности, доступной сорбции, нет, и дальнейшее
увеличение концентрации извлекаемого вещества не и мест
смысла.
Кроме теории Лэнгмюра разработан еще ряд теорий,
описывающих закономерности сорбции различного вида, в
частности теория трех авторов — Брунауэра, Эммета и
Теллера (сокращенно БЭТ), отражающая возможность
полимолекулярной адсорбции.
Для адсорбции из растворов широко применяется
эмпирическое уравнение Фрейндлиха:
Г = Кс1/п, (30)
где К и п — эмпирические консгаизы.
Уравнение (30) хорошо согласуется с эксперименталь-
ными данными в обширной области средних концентраций,
но дает отклонения при малых и больших концентрациях
раствора, для которых более приемлемо уравнение Лэнг-
157
мюра (29), хотя строго говоря, к интересующему нас слу-
чаю сорбции примесей из воды теория Лэнгмюра должна
применяться с осторожностью.
Сорбция является одним из наиболее эффективных ме-
тодов извлечения из воды растворенных веществ, чаще все-
го органического происхождения. Нередки случаи, в осо-
бенности при очистке сточных вод, когда сорбируемое ве-
щество утилизируется, что в значительной степени снижает
эксплуатационные затраты на обработку воды.
При подготовке питьевой воды сорбционные процессы
применяют для устранения запахов и привкусов воды.
Адсорбция является стадией гетерогенного катализа.
Катализаторы — это вещества, изменяющие скорость
реакции, а изменение скорости реакции с помощью ка-
тализаторов называется катализам.
Различают гомогенный и гетерогенный катализы. При
гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор
образуют одну фазу. Явления гомогенного катализа обычно
объясняются теорией промежуточных соединений. Схе-
матически это можно представить так: А + В - АВ (реакция
протекает медленно). Катализатор К разбивает процесс на
две стадии; А + К * ЛК (протекает быстро); АК + В -
- АВ + К (протекает быстро;.
При гетерогенном катализе реагирующие вещества и
катализатор — разные фазы. Катализатором чаще всего
является твердое тело, на поверхности которого различают
активные центры, места с наибольшей декомпенсирован-
ностъю молекулярных сил. На активных центрах собирают-
ся молекулы реагирующих веществ, их концентрация в
этих местах становится выше, чем в общей массе, в резуль-
тате чего изменяется скорость реакции в соответствии с
законом действующих масс.
Необходимо упомянуть еще об одном важном аспекте
действия катализаторов. Существует понятие — энергия
активации реакции. Чтобы реакция прошла самопроизволь-
но, необходимо чтобы энергия исходных продуктов А + В
была выше, чем конечных продуктов реакции С + D, и,
кроме того, молекулы веществ А и В должны перейти
энергетический барьер реакции £ (рис. 24).
Под действием катализатора у адсорбированных моле-
кул ослабляются связи между атомами; связи делаются
более реакционноспособными. В этом случае, как и в
гомогенном катализе, в присутствии катализатора требуется
158
Рис. 24. Схема изменение свободной
энергии реагирующей системы
меньшая энергия активации (пунктирная линия на
рис. 24). Таким образом, действие катализаторов сводится
к снижению высоты энергетического барьера.
39. КОАГУЛЯЦИЯ И ФЛОКУЛЯЦИЯ
Нерастворенные примеси природных вод полидиспсрс-
ны, и способность их к седиментации под действием
гравитационных сил различна.
Ниже приведены ориентировочные данные о седимен-
тационных свойствах взвешенных частиц, составляющих
обычный набор примесей природной воды при осаждении
в вертикальном столбе воды высотой 1 м (табл. 2).
Таблица 2. Седиментационные свойства примесей
природной воды
Материал примеси Дна мет р частиц, мм Ориенти- ровочное время оса жденил в столбе ыысо гой 1 м Материал при- меси Диа метр частиц, мм Ориентировок ное время осаждения в столбе высо той 1 м
Г иавий 10 1 с Г пина 0 01 2 ч
Песик 1 10с Бактерии 0 001 8 сут
Мелкий пе- сок 0 1 2 мин Коллоидные частицы 0 001- 2 1 З-да - -0 00001 -20 лет ,
Из табл. 2 нидно, что естественное осаждение основных
примесей воды — мелких глинистых и им подобных
частиц, а тем более коллоидных частиц — проходит очень
медленно. Для ускорения процесса осаждения систему нуж-
159
но дестабилизировать, понизить ее агрегативную ус-
тойчивость. Воздействие на систему в нужном направ-
лении — снижение £ -потенциала, ассоциация частиц и
их седиментация — достигается применением коагулянтов
и флокулянтов.
В качестве коагулянтов чаше всего используют соли
алюминия и железа: сульфат алюминия A12(SO4)j'I8H2O,
алюминат натрия NaAlOz, сульфат железа (П)
FeSO4 7H2O (железный купорос), хлорид железа (Ш)
FeCh 6Н2О.
В воде эти соли подвергаются ступенчатому гидролизу
по схеме:
Me3* + Н2О Ме(ОН)2*
Ме(ОН)2* + Н2О *= Мс(0Н>2 + Н*
Ме(ОН)2 + НгО Ме(ОН)з + Н*
Ме3+ + ЗН2О Ме(ОН)з + ЗН+. (31)
Полнота процесса гидролиза коагулянта достигается
только при условии связывания образующихся ионов во-
дорода. В природных водах ионы НСОз в совокупности с
растворенной угольной кислотой образуют буферную систе-
му, емкость которой определяется концентрацией ионов
HCOj. Участвуя в реакции Н* 4 HCOj Н2СО3, ионы
НСОз обеспечивают полный гидролиз коагулянта. Однако
в ряде случаев природная буферность воды оказывается
недостаточной для нейтрализации всех ионов и приходится
прибегать к предварительному подщелачиванию воды изве-
стью или кальцинированной содой.
Степень гидролиза повышается при разбавлении раст-
воров и повышении температуры.
Гидролиз хлорного железа по схеме (31) приводит к
образованию Fe(OH)3. Выделение твердого гидроксида же-
леза — первая стадия образования коллоидной частицы
(см. 16). Хлопья Fe(OH)3 интенсивно образуются при зна-
чении pH 5—7 с оптимумом в диапазоне pH 6,1—6,5.
Минимальная растворимость гидроксида железа (Ш) на-
блюдается в изоэлектрической точке, соответствующей зна-
чению pH = 6.5.
Гидролиз солей алюминия по схеме (31) приводит к
образованию А1(ОН)з — типичного амфотерного co-
in)
единения, способною растворяться как в кислой, так и в
шслочной среде:
А1(ОН)з + 3Hf --г А13+ + ЗН2О:
А1(ОН)з + ОН' - = АЮг + 2НгО.
Минимальную растворимость гидроксид алюминия име-
ет при pH - 6,5—7,5. Мицелла золя АНОН)з имеет сле-
дующее строение:
КОЛЛОИДНАЯ ЧАСТИЦА
Гидрозоли алюминия и железа образуют пространст-
венные структуры, напоминающие сетку, в ячейках кото-
рой находится вода. Формирующиеся структуры имеют
очень развитую высокопористую поверхность, поэтому
обладают большой адсорбционной способностью.
Коллоидные примеси воды, обусловливающие ее цвет-
ность, адсорбируются на хлопьях гидроксидов, и вследствие
разноименное™ зарядов гидроксидов и частиц примесей
последние прочно фиксируются на поверхности адсорбента.
Собственно коагуляции подвергаются гидрозоли
алюминия и железа. Коагуляция их происходит под
действием электролитов, присутствующих в воде. Посколь-
ку коллоидные частицы гидроксидов алюминия и железа
заряжены положительно, коагулирующими ионами для них
являются анионы (SO2 , Cl , НСОз).
Агломерация коллоидных частиц, обусловливающих
мутность воды, происходит в результате сжатия однова-
лентных катионов диффузного слоя на более активные
трсхвалентные катионы алюминия или железа, всегда
присутствующие в растворе при введении коагулянта. Это
приводит к снижению £ -потенциала частиц примесей и
их коагуляции (см.рис. 4). Осветление воды происходит
также в результате прилипания частиц взвеси к хлопьям
гидроксида. Большое значение имеет ортокинетическая ко-
агуляция вследствие захватывания частиц сеткой оседа-
ющих хлопьев гидроксидов алюминия или железа.
161
Процесс коа!улыции заканчивается выведением из
очищенной воды отработанного сорбента.
Для определения оптимальной дозы коагулянта прово-
дят пробное коагулирование, по результатам которого
строят коагуляционную кривую — зависимость остаточной
мутности или цветности от дозы коагулянта. Доза, соот-
ветствующая минимальной концентрации остаточных за-
грязнений, считается оптимальной.
Для ускорения осаждения хлопьев необходими их укруп-
нение, что достигается использованием флокулянтов. Из не-
органических флокулянтов чаще всего применяют
активированный кремнезем (HzSiOaM. Растворы кремниевой
кислоты нестабильны, и поэтому их готовят непосредственно
перед использованием. Из органических флокулянтов наиболь-
шее распространение в нашей стране получили полиакриламид
(ПАА), полифункционалъные полимеры амфотерного типа К-4
и К-6, катионный флокулянт ВА-2. /fi
Полиакриламид — сополимер акриламида СНг“СН—С
и аммониевых, натриевых или кальциевых солей акриловой
кислоты СНг=СН—СООН. Карбоксильные группы придают мо-
лекуле ПАА свойства анионного полиэлектролита,
диссоциирующего в воде с образованием полимерного аниона
и простых катионов. Молекулы ПАА образуют ассоциаты в
виде длинных цепочек. Вследствие адсорбционного взаимо-
действия молекулы П.АА одновременно с несколькими
частицами гидроксида алюминия и железа образуются тяже-
лые, крупные и прочные агрегаты, легко оседающие.
Флокулянты типа К получают омылением
полиакрил нитрила [—СН2—СН—CN]/t, в результате чего
в составе полимера оказываются карбоксильные, аминные
и другие группы, обусловливающие амфотерный характер
полиэлектролита.
Катионные флокулянты представляют собой чет-
вертичные аммониевые соли на основе полистирола и
поливинилтолуола. К их числу относится флокулянт ВА-2,
макроионы которого имеют положительный заряд.
Адсорбируясь на отрицательно заряженных коллоидных
примесях воды, он образует крупные агрегаты. В опреде-
ленных условиях ВА-2 может быть использован без мине-
ральных коагулянтов.
Дозы флокулянтов, требуемые для удовлетворительного
осаждения, очень малы — обычно менее 1 мг/л; если же
162
реагент используется в роли нс только флокулянта, но и
собственно коагулянта, то дозы повышаются.
Выделение взвешенных веществ из сточных вод обычно
осуществляется безреагентным путем, по крайней мере, на
первых стадиях их обработки. Однако в последние годы
была разработана схема физико-химической очистки го-
родских сточных вод, когда уже на первой стадии обработки
к воде добавляют реагенты — сульфат алюминия или хлор-
нос железо и известь, после чего смесь направляют в
первичные отстойники для отделения взвешенных частиц
от воды. В этом случае происходит несколько процессов —
коагуляция, флокуляция, соосаждение, сорбция примесей.
Дозы реагентов в несколько раз выше, чем требуемые для
обработки природных вод.
При очистке производственных сточных вод большой
интерес представляет применение в качестве коагулянтов
отходов производства — шламов и отработанных растворов.
Так, при производстве этилбензола в качестве отхода полу-
чается хлорид алюминия, при травлении металлов — суль-
фат двухвалентного железа и т.д.
40. ОТСТАИВАНИЕ
В технологии процессов очистки природных и сточных
вод рассматривается осаждение частиц двух типов — гра-
нулированных и флокулированных. Гранулированные
частицы осаждаются независимо друг от друга и с пос-
тоянной скоростью, а флокулированные, которые могут
быть естественного происхождения или искусственно полу-
ченными вследствие агломерации коллоидных веществ,
осаждаются по-разному в зависимости от исходной кон-
центрации частиц. Если их концентрация мала, то в
верхних слоях воды осаждение каждого хлопка происходит
индивидуально, но затем при столкновении и слипании
частиц скорость осаждения увеличивается. Это явление
носит название стесненного или флокулянтного осаждения.
При высокой концентрации происходит совместное осаж-
дение хлопьев с четко выраженной границей раздела фаз
между верхним слоем жидкости и осадком,- Такое осаж-
дение называют зонным.
Теория осаждения гранулированных частиц агрегативно
устойчивой взвеси, частицы которой в процессе осаждения
не меняют своей формы и размера, основана на следующих
163
представлениях. На частицу действует гравитационная
сила, вследствие чего она двигается вниз. Осаждению
частицы препятствуют силы сопротивления, обусловленные
вязкостью среды. Для процесса осаждения таких частиц
при условии их малого размера и малой скорости осаж-
дения справедливо уравнение Стокса:
«о - I/ISH/1, - <32)
где ио — скорость осаждения, или гидравлическая крупность частиц, м/с;
и J>* — соответственно плотность частиц и жидкости. Н/м";уу— ко-
эффициент динамической вязкости жидкости, Па-с; g— ускорение свободно-
го падения, м/с2; d — диаметр шарообразной частицы, м.
Из структуры формулы (32) видно, что на скорость
седиментации влияют размер частиц, разность плотностей
частиц и жидкости, температура, от которой зависит вяз-
кость среды. Повышение температуры приводит к умень-
шению вязкости и соответствующему увеличению скорости
осаждения частиц.
Взвешенные вещества сточных вод и взвесь, образую-
щаяся в результате обработки воды коагулянтами, недно-
родны по форме частиц, их размеру и плотности, более
того, частицы в процессе осаждения агломерируются,
вследствие чего изменяется и скорость их осаждения. Такая
взвесь называется полидисперсной, агрегативно не-
устойчивой. Закономерности осаждения частиц полидиспер-
сной взвеси оказываются более сложными. Строгого мате-
матического описания для осаждения такой взвеси нет, и
кинетические зависимости получаюг опытным путем.
Для решения задач проектирования отстойных соору-
жений изучают зависимость Э = f</), при этом нысота
столба воды в отстойном сосуде h должна быть нс менее
500 мм, в диаметр сосуда не менее 100 мм. Эти условия
обеспечивают возможность фиксирования эффекта
слипания частиц и ускорения их падения при одновремен-
ном сведении к минимуму искажающего каргину явления
налипания частичек на стенки сосуда.
Для агрегативно устойчивых взвесей необходимое для
их осаждения время Т в сооружении с глубиной Н при
заданном эффекте О) отстаивания определится из соот-
ношения:
ПН = Z/Л. (33)
Если частицы взвеси в процессе осаждения образуют
агломераты, зависимость (33) принимает вид:
164
т - t(H/ton,
где п — показатель степени, отражающий влияние агломерации. Для хорошо
сформированных скоагулированных хлопьев п -0,5; для взвешенных веществ
городских осочных вод п - 0.2—0,3.
Для зонного осаждения, которое наблюдается при
исходной концентрации взвешенных веществ более
1000 мг/л, закономерности осаждения описываются также
эмпирическими формулами.
В расчетах зонного осаждения (активного ила) иногда
пользуются понятием "индекс". Объемный индекс I —это
объем (мл), занимаемый 1 г осадка после 30 мин
отстаивания.
Процессы отстаивания — наиболее широко применяе-
мые процессы в любой очистке природных вод или бытовых
и производственных отходов.
41. ФЛОТАЦИЯ
Флотация (всплывание) основана на разности удель-
ных масс взвешенных частиц (или капель жидкости) и
жидкости, в которой они суспензированы. Флотация осу-
ществима в том случае, если примеси способны образовы-
вать комплекс "частица—воздух" с плотностью, меньшей
плотности воды. В результате действия сил всплывания,
гравитации и сопротивления комплексы "частица—воздух"
флотируют и образуют концентрированный слой на сво-
бодной поверхности жидкости, откуда этот слой затем уда-
ляется. Плотность примесей обычно больше плотности во-
ды, поэтому для осуществления флотации нужно, чтобы
адгезия (т.е. слипание) микропузырьков воздуха и частиц
была выше смачивающего действия воды на частицы.
Смачивание твердого вещества жидкостью определяется
величиной краевого угла контакта <9 между поверхностью
твердого вещества и пузырьком газа (рис. 25;. Если
U - О, то твердое тело смачивается водой и адгезия его
с воздухом невозможна. Если & - 180°, то твердое тело
не смачивается, а контакт его с воздухом максимален. На
практике этот случай не встречается, наибольший угол
0 = 110° наблюдается при смачивании ртути. Все обычные
примеси воды дают 5 между 0 и ПО1’, и чем этот угол
больше, т.е. чем более гидрофобна поверхность частицы,
тем выше прочность прилипания частицы к пузырьку воз-
духа.
165
жидкость
твгядог НПО
Рис, 25. Угол смачивания
Основные отличия способов флотации связаны с видом
насыщения жидкости пузырьками воздуха. По этому
принципу различают: пенную, напорную флотацию и элек-
трофлотацию При пенной флотации воздух подается в
систему через пористые материалы; при напорной — воду
насыщают воздухом под давлением, после снятия которого
начинается выделение пузырьков воздуха; при электрофло-
тации пузырьки газа образуются в результате электролиза
воды.
Метод флотации нашел широкое применение в
практике очистки сточных вод, особенно производственных.
Из воды удаляются взвешенные вещества, а также частично
коллоидные и растворенные.
Флотация применяется и при очистке природных вод
с мутностью до 150 мг/л и цветностью до 200 трэд.
42. ФИЛЬТРОВАНИЕ
Фильтрование — процесс процеживания суспензии че-
рез пористый материал, задерживающий твердые примеси
и пропускающий воду. Если размеры частиц больше раз-
меров пор фильтрующей загрузки, то чаегицы останутся
на поверхности загрузки. Этот тип фильтрования называ-
ется поверхностным, осадочным или опорным. Если
частицы проходят внутрь материала загрузки, то процесс
называется фильтрованием в объеме, или объемным
фильтрованием.
С поверхностным фильтрованием мы встречаемся при
движении воды через фильтры из пористой керамики, при
фильтрований под давлением или вакуумом через сетчатые
и тканевые перегородки и ,т.д. При этом на фильтре за-
держиваются все частицы, размеры которых превышают
размеры пор фильтрующей основы. Б результате на ней
формируется слой осадка, являющийся дополнительным
фильтрующим слоем.
Процесс поверхностного фильтрования подчиняется за-
кону Дарси, по которому Скорость фильтрования v
166
пропорциональна потерям напора р, коэффициент
пропорциональности К зависит от динамической вяз-
кости и величины, определяющей сопротивление
среды R:
v - Кр; К - v - pijuR. (34)
В свою очередь, сопротивление среды R складывается
из начального сопротивления фильтрующей основы Ян и
сопротивления образовавшегося слоя осадка Яде:
R “ Ян + Яде. (35)
Сопротивление слоя осадка:
Яде - rM/F, (36)
где г — удельное сопротивление осадка фильтрованию; М — масса
отложившегося осадка, F— площадь фильтра.
После подстановки (35) и (36) в (34) и преобразования
получаем выражение для скорости фильтрования у:
v " p/ljifirM/F + Я„|
При фильтровании воды со взвешенными веществами
через слой песка или другие зернистые материалы, т.е.
при объемном фильтровании, наблюдаются следующие про-
цессы: извлечение взвешенных частиц из воды и их за-
крепление на зернах фильтрующей загрузки под действием
сил адгезии; отрыв части задержанных частиц от зерен
загрузки и перенос их в последующие слои, где они снова
задерживаются в порах загрузочного материала.
До тех пор пока интенсивность первого процесса пре-
вышает интенсивность второго, происходит очистка воды
от взвешенных частиц.
С течением времени в загрузке накапливается осадок, при
этом объем свободного перового пространства уменьшается, а
гидравлическое сопротивление загрузки возрастает. Это про-
является в увеличении потери напора в фильтрующей загруз-
ке, повышении концентрации взвеси в фильтрате. Время, в
течение которого слой загрузочного материала обеспечивает
очистку воды до требуемой концентрации, называется време-
нем защитного действия загрузки
h - ]/К Ь/а(х - Хо/Ь\,
где К и Хе — константы, зависящие только от требуемого аффекта очистки и
определяемые по номограммам Д.М. Минца, Ыа и b — кинетические парамет-
ры процесса фильтрования, характеризующие соответственно скорость
проникновения взвести в гтубь загрузки и интенсивность прилипания частиц
к зернам загрузки.
167
Продолжительность работы фильтра ta до момента
достижения предельной потери напора определяется из вы-
ражения:
/н - [(Япр - Яо)Го] х/ЯоТ,
где Но и Нпр — соответственно начальная и предельно допустимая потеря на
пора в-загруаке фильтра, м — темп прироста потери напора, х — толщина слоя
загрузки.
Отношение б/ tu характеризует надежность работы
фильтра и при *з//н1 гарантирует высокое качество
фильтрата. Чем больше это отношение, тем выше степень
санитарной надежности фильтра.
Процесс фильтрования — один из основных приемов
в водоподготовке, обеспечивающий удаление из природной
воды как взвешенных, так и коллоидных примесей. Этот
метод широко применяется также для доочистки сточных
вод, прошедших сооружение биологической или физико-
химической очистки. Особенность фильтрования
биологически очищенных сточных вод заключается в том,
что наряду с процессом задержания нерастворенных приме-
сей в фильтрах достаточно интенсивно идут биохимические
процессы окисления остаточных органических вешеств.
43. МЕМБРАННАЯ СЕПАРАЦИЯ
Под термином мембранная сепарация понимают проц-
ессы разделения истинных растворов с помощью различного
рода мембран. Этот термин объединяет процессы
гиперфильтрации или обратного осмоса, ульт-
рафильтрации и электродиализа.
Понятие обратный осмос показывает обратимость про-
цесса естественного осмоса, рассмотренного в 3. Известно,
что прямой (или естественный) осмос (рис. 26, а) наблюдается,
если чистая вода А и водный раствор Б разделены полуп-
роницаемой мембраной 27, через которую вода устремляется
в сторону раствора. Этот процесс продолжается до тех пор,
пока уровень раствора не поднимается на высоту Н, равную
осмотическому давлению раствора (рис. 26, б). При этом
достигается осмотическое равновесие. Для того, чтобы за-
ставить молекулы воды двигаться в противоположном прямому
осмосу направлении к раствору Б, нужно приложить гидро-
статическое давление Р, величина которого должна быть боль-
ше осмотического давления Я (рис. 26, в). Упрощенная схема
обратного осмоса показана на рис. 26, г. Очищаемая вода 1
168
Рис. 26. Прямой и обратный осмос
а — прямой осмос; б — осмотическое равновесие; в — обратный осмос;
г — упрощенная схема процесса гиперфильтрацни
насосом высокого давления 2 подается в модуль обратного
осмоса 3 с полупроницаемой мембраной 4. Чистая вода 5,
прошедшая через мембрану удаляется из одной части модуля,
а концентрат 6 отводится через управляемый клапан 7.
Основной частью модуля является полупроницаемая
мембрана. К настоящему времени разработано несколько
типов таких мембран из различных полимерных ма-
териалов. Такие мембраны задерживают неор1анические и
органические вещества, растворенные в воде. Задерживае-
мые вещества должны постоянно отводиться от мембраны
и не должны сорбироваться на ее поверхности, чтобы не
нарушать процесс разделения.
Гиперфильтрация осуществляется при давлении более
0.6 МПа. Гиперфильтрация нашла применение при обес-
соливании природных вод и очистке некоторых видов сточ-
ных вод от растворенных примесей.
Частным случаем обратного осмоса является ульт-
рафильтрация, предназначенная для разделения водных
растворов органических веществ и коллоидных растворов.
Поры полупроницаемых мембран для ультрафильтрации бо-
лее крупные. Соответственно и давление, необходимое для
ультрафильтрационной очистки, ниже, чем для
гиперфильтрации.
169
Рис. 27. Схема процесса э.1ек1ридиа.1ила
В отличие от мембран, применяемых для гипср- и
ультрафильтрации, диализные мембраны не пропускают
молекулы воды. В зависимости от типа диализные
мембраны пропускают либо катионы, либо анионы. Элек-
тродиализ используют для опреснения воды.
Принципиальная схема электродиализной установки
показана на рис. 27. Установка имеет три камеры,
разделенные мембранами, пропускающими только
катионы К и только анионы Л. Соленая вода I подастся
г- центральную рабочую камеру /. В катодную камеру
1! погружен катод, в анодную камеру 111 — анод. Если
подключить такую установку к источнику постоянного
тока, то катионы из рабочей камеры постепенно пере-
местятся в катодную, а анионы — в анодную камеру,
т.е. произойдет опреснение воды. Пресная вода 2
отводится из рабочей части электродиализатора.
Таким образом, если в результате обычного фильтро-
вания через зернистую загрузку из воды извлекаются
взвешенные и крупные коллоидные частицы, то при
ультрафильтрации задерживаются мелкие коллоиды и
высокомолекулярные органические вещества, при
гиперфильтрации — средне- и низкомолекулярные
органические соединения и неорганические соли, при
диализе — ионы неорганических солей.
170
44. ИОННЫЙ ОБМЕН
Ионный обмен — это процесс извлечения из воды
одних ионов и замены их другими. Процесс осуществляется
с помощью ионообменных веществ — нерастворимых в воде
гранулированных веществ, имеющих в составе кислотные
или основные группы, способные заменяться положитель-
ными или отрицательными ионами. В качестве ионообмен-
ных материалов, называемых часто смолами, используются
природные и синтетические вещества.
В технологии очистки воды ионный обмен обычно
используют с целью умягчения воды (выделения из воды
солей жесткости — кальция и магния) и обессоливания.
Из природных ионообменных материалов, применяемых
для умягчения, наиболее известен глауконитовый песок, а
из искусственных — сульфоуголь, катиониты КУ-1, КУ-2,
СБС, КБ-4 и др.
Обменная емкость природных катионитов (ионообмен-
ных веществ, извлекающих катионы) составляет 125—
150 г-экв/м . Искусственные катиониты имеют обменную
емкость 400—СОО г-экв/м3. но есть смолы и с емкостью
до 2800 г-экв/м3.
Основная реакция умягчения жесткой воды имеет вид
2Na.K + Са2+ — CaR + 2Na+,
здесь символом к обозначена нерастворимая часть катионита, условно приня-
тая двухосновным ионом.
Реакция обратима: в прямом направлении она
символизирует извлечение из воды ионов жесткости (здесь
кальция), а в обратном — регенерацию ионита раствором,
например хлорида натрия.
В результате обменных реакций в воде появляются
натриевые соли, не являющиеся солями жесткости. В то
же время содержание бикарбонат-ионов не изменяется, и
поэтому щелочность воды остается без изменений. Общее
силесодержание несколько возрастает, так как каждый ион
кальция с атомной массой 40,08 заменяется двумя ионами
натрия, масса которых больше: 222,99 - 45,98; замена
магния, если и она проходит по аналогичному уравнению,
приводит к еще большему увеличению солесодержания.
Посте того как обменная емкость катионита исчерпана,
катионитовый фильтр подвергают регенерации — восстанов-
171
лению его обменных свойств. Na-катионит восстанавливают
концентрированным раствором NaCl (от 2 до 10%). Если
катионит регенерировать раствором кислоты, то получится
катионит н Н-форме. Н-катионитовый фильтр позволяет по-
лучить воду, лишенную солей .еальция и магния, по той же
схеме, что и для Na-катионита. При атом в воде появляются
кислоты HCI или H2SO4 в количестве, равном концентрации
их анионов в исходной воде. Кислотность воды после Н-
катионирования возрастает, pH снижается.
На практике нередко совмещают Na и Н-
катионирование, что позволяет получить глубоко умягчен-
ную воду, лишенную в то же время агрессивных свойств
(за счет щелочности посте Na-катионирования и кислот-
ности после Н-катионирования). Процесс Na и Н-
катионирования можно выполнять по разным схемам. Одна
из них предусматривает обработку одной части воды на
Na-катионитовом фильтре, а другой — на Н-катионитовом,
посте чего оба фильтрата смешиваются. По другой схеме
проводится последовательное фильтрование всего объема
воды через один и другой фильтры На ионитовые смолы
нельзя подавать воду с содержанием взвешенных веществ
более 5—7 мг/л, ибо они, забивая смолу, блокируют полез-
ное ее использование. По тем же соображениям цветность
воды также не должна быть высокой.
Обшей обменной емкостью ионита называется количе-
ство извлекаемых ионов, которое ионит может воспринять,
а полезной (или рабочей) емкостью — достигаемое количе-
ство извлекаемых ионов. Полезная емкость меньше общей,
так как в условиях проведения процесса часть емкости
недоиспользуется вследствие равновесного характера основ-
ной реакции и ряда технических факторов.
Обработку на ионообменниках можно проводить, прес-
ледуя цели двоякого рода, а именно: очистки воды, т.е.
извлечения из нее нежелательных ионов (умягчение, обес-
соливание), или же концентрирования в ионообменном ма-
териале одного или нескольких ионов, которые затем при
регенерации будут выделены в чистом виде.
На ионите со сложным комплексным ионом можно обес-
печить проведение вторичной реакции, например окислитель-
но-восстановительной. Так можно из воды извлечь сульфит-
ион на анионитовую смолу в виде /i-NH3-HSO3, а затем на
этой же смоле пройдет окисление сульфит-иона в сульфат-ион
за счет растворенного кислорода.
172
И. наконец, о регенерации ионитов. Схема регенерации
может быть как прямоточной, так и противоточной, т.е.
по ходу основной фильтрации и против нее. Противоточная
регенерация более эффективна.
Применение анионитов продемонстрируем на примере
использования их в процессах обессоливания воды. В
этом случае воду последовательно фильтруют через Н-
катиониты и ОН*аниомиты. При фильтрации через Н-
катионит получается вода, содержащая НС1 и H2SO4. Эту
воду пропускают через анионит [AhJOH. В результате
происходят обменные реакции:
[Ан]ОН + НС1 — [Ан JC1 + Н2О;
2[Ан]0Н + H2SO4 — [AHJ2SO4 + 2Н2О.
Обрабогку воды Н- и ОН-ионитами проводят последо-
вательно в две-три ступени, при этом обработка воды на
ОН-фильтре второй ступени позволяет удалить анионы сла-
бых кислот — угольной и кремниевой. Одноступенчатая
установка позволяет получить воду с солесодержанием 2—
10 мг/л, двухступенчатая — 0,1—0.3 мг/л и трехступен-
чатая — 0.05—0,1 мг/л.
Ионный обмен широко применяется для очистки сточ-
ных вод, содержащих тяжелые металлы, цианиды и т.п.
Г л а в а 15. ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В химических процессах обработки предполагается
использование реагентов, что может изменить солевой со-
став воды. Химическая очистка воды применяется для
снижения щелочности и жесткости, коррекции величины
pH, изменения характера окислснности примесей, выде-
ления из сточных вод отдельных видов загрязнений в оса-
док и т.п.
45. НЕЙТ РАЛИЗАЦИЯ
Нейтрализацией называется обработка воды с целью
регулирования значения pH. Нейтрализация оказывается
необходимой для предотвращения коррозионных процессов
в трубопроводах, для поддержания оптимальных условий
173
жизнедеятельности микроорганизмов на очистных соору-
жениях систем водоотведения, перед сбросом некоторых
видов очишенных сточных вод в водоем, Во всех
перечисленных случаях в результате нейтрализации жела-
тельно иметь значение pH воды близким к 7.
Для обработки кислых вод в качестве нейтрализующих
реагентов используются каустическая сода, кальцинирован-
ная сода и известь. Рассмотрим три основных случая, когда
с помощью перечисленных реагентов требуется нейтрализо-
вать воду, содержащую либо избыток СОг, либо НС1, либо
H2SO4. Реакции нейтрализации записываются следующим
образом:
СО2 + NaOH - NaHCCh; (37)
НС) + NaOH - NACI + Н2О: (38)
H2SO4 + 2NaOH - Na2SO4 + 2H2O; (39)
CO2 + Ка2СОз + H20 - 2NaHCO3; (40)
2HC1 + NazCOa - 2NaCl + H2O + COzt; (41)
H2SO4 + Na2CO3 - Na2SO4 + H2O + CO2t; (42)
CO2 + Ca(OH)2 - Ca(HCO3)2; (43)
2HC1 + Ca(OH)2 - CaClz + 2H2O; (44)
H2SO4 + Ca(OH)2 - CaSO4| + 2H2O. (45)
Выбор нейтрализующего реагента в каждом конкрет-
ном случае должен быть обоснован. В частности,
следует учитывать: 1) в результате реакций нейт-
рализации (37)—(44) образуются хорошо растворимые
сили| вследствие чего солесодержание обработанной воды
возрастает; 2) выделяющийся в реакциях (41) и (42)
СО2 может вызвать ряд нежелательных явлений: цено-
образование, флотацию взвешенных частиц и т.д ;
3) нейтрализация серной кислоты известью (45) сопро-
вождается образованием осадка, поэтому требуется
отстаивание нейтрализованной воды. Образование
относительно малорастворимого гипса и выпадение его
в осадок приводит к значительным осложнениям, пос-
кольку гипс откладывается на стенках трубопроводов и
аппаратуры. Растворы гипса обладают способностью к
пересыщению, что затем приводит к усиленной
кристаллизации. Для уменьшения этого явления приме-
няют рециркуляцию (возврат обоазующегося осадка в
зону реакции). Возврат концентрированного раствора
174
препятствует пересыщению и способствует тем самым
поддержанию условий равновесия.
Из рассмотренных реагентов наиболее часто применя-
ется известь, что объясняется более низкой стоимостью ее
по сравнению с NaOH и NazCOa.
Для нейтрализации щелочных сточных вод использу-
ются обычно сильные кислоты. Процесс протекает в соот-
ветствии с реакциями (38), (39), (41), (42), (44), (45).
При обработке сточных вод обязательно рассматрива-
ется возможность взаимной нейтрализации кислых и ще-
лочных стоков, если и те и другие образуются в техно-
логическом цикле производства.
При расчете количеств нейтрализующего реагейта со-
ставляют стехиометрическое уравнение реакции и принима-
ют величину на 10% выше расчетной.. Если в обрабаты-
ваемой воде есть другие примеси, способные связывать
нейтрализующий реагент, например, при нейтрализации
кислых сточных вод с большим содержанием в них тяжелых
металлов, количество реагента принимают с учетом этих
дополнительных реакций.
46. ОСАЖДЕНИЕ
Химическое осаждение включает использование таких
реагентов, взаимодействуя с которыми «примеси воды обра-
зуют малорастворимые соединения, выпадающие в осадок
в соответствии с их пределом растворимости. Метод
химического осаждения широко применяется в практике
очистки природных и сточных вед. Примерами такой обра-
ботки воды являются реакции умягчения с применением
извести или соды, фосфатное доумягчение с МазРСц, уда-
ление сульфатов, фторидов, фосфатов, металлов,
кремниевой кислоты и т.д. Рассмотрим реакцию умягчения
воды известью и содой.
При добавлении в воду извести бикарбонаты переходят
в карбонаты, что приводит к устранению кальциевой и
магниевой карбонатной жесткости:
Са(НСОз)2 + Са(ОН)2 - 2СаС(Ы + 2HzO;
Mg(HCO3)2+2Ca(OH)2-Mg(OH)2l+ 2СаСОз1 + 2Н2О.
Одновременно магниевые соли некарбонатной жесткости
переводятся в кальциевые:
MgSO4 + Са(ОН)2 Mg(OH)z| + CaSC4;
175
MgCh + Ca(0H)2 - Mg(0H)21 + CaCh.
Таким образом, в результате известкования карбонат-
ная жесткость может быть снижена до предела, который
определяется растворимостью СаСОз и Mg (ОН) 2, что сос-
тавляет при температуре 20°С примерно 0,3—0,4 мг-экв/л.
Практически удастся получать воду с карбонатной жест-
костью 0,5—1 мг-экв/л вследствие легкости образования
пересыщенных растворов СаСОз и Mg(OH)2 и необ-
ходимости вводить некоторый избыток извести для уско-
рения процесса. Осаждение СаСОз и Mg (ОН) 2
интенсифицируют добавкой коагулянта — FeClj или FeSO4.
Соли хтюминия в этом случае не применяются, так как
при рНО они переходят в алюминаты.
Второй вариант реагентного умягчения заключается в
использовании извести совместно с содой. При известковом
умягчении после осаждения карбонатов дальнейшего
снижения жесткости не происходит, несмотря на выделение
в осадок Mg (ОН >2. Взамен магниевой жесткости в воде
появляется кальциевая некарбонатная жесткость. Приме-
нение соды обусловливает дополнительное введение карбо-
нат-ионов, в результате чего обменные реакции приводят
к выпадению в осадок солей кальция:
CaSO< + Na2CO3 - СаСОз! + Na2SO4;
CaCh + КагСОз - СаСОз! + 2NaCl.
Интенсификация процесса известково-содового умяг-
чения достигается подогреванием воды.
Фосфатное доумягчение, проводимое после подогрева
воды до температуры более 100°С (под давлением) в
присутствии извести и соды, снижает остаточные
кальциевую жесткость 0,2 мг-экв/л и магниевую 0,1 мг-
экв/л до 0,04—0.05 мг-экв/л. Уравнения реакции фосфат-
ной обработки записываются следующим образом:
ЗСа(НСОз)2 + 2Na3PO4 - Саз(РО4)г|+ 6NaHCOj;
3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 - Mg3(PO4)2l+ 6NaHCO3;
3CaCh + 2Na3PO4 = Ca3(PO4)2! + 6NaCl;
3MgSO4 + 2NajPO4 ~ Mg3(PO4)2!+ 3Na2SO4.
Фториды удаляют солями кальция:
2NaF + СаСОз = CaF2 + NazCOj.
Химическое осаждение — один из методов очистки
сточных вод от ионов металлов. Как правило, металлы
176
осаждаются в виде малорастворимых гидроксидов или су
льфидов:
Zn2+ + 2OH - Zn(OH)2i (46)
Zn2+ + S2' - ZnSl (47)
Cu2+ + 2OH* - Cu(OH)2i (48)
Cu2+ + S2' - CuSI (49)
Cd2+ + 2OH" - Cd(0H)2t (50)
Cd2+ + S2' = CdSt (51)
Pb2+ + 201Г - Pb(0H)2i (52)
Pb2+ + S2’ - PbSl (53)
Полнота осаждения существеннс зависит от величины
pH. Например, для амфотерных гидроксидов Zn2* и Си"'
оптимальные значения pH составляют для реакции (46) —
10—11, для реакции (48) — 8—10. Практически для всех
этих металлов произведение растворимости сульфидов
ниже, чем гидроксидов, поэтому в реакциях (47), (49),
(51), (53) достигается более глубокое осаждение металлов.
Однако сульфиды не осаждают катионы С) , для удаления
которых применяют щелочи:
Сг3* + 3(ОН~) - Сг(ОН)з1.
Катионы Zn2+, Cu2+, Pb2’’ могут быть выделены из
растворов карбонатами в виде труднорастворимых со-
единений типа ZnCOj'Zn(OH)2.
Гидроксиды и сульфиды многих металлов образуются
в виде очень мелкодисперсных частиц, перевод которых ь
осадок требует дополнительной обработки воды коагулян-
тами.
Во всех случаях применения химического осаждения
необходимо знать кинетику реакций, растворимость обра-
зующихся веществ и кинетику их осаждения.
47. ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Реакции окисления и восстановления применяются дл
перевода токсичных и вредных примесей в нетоксичные
или нерастворимые. На этих реакциях основаны, например,
удаление железа и марганца из природных вод, де-
токсикация цианидов и хроматов при очистке сточных вод.
Возможность взаимодействия между веществами, эле-
менты которых способны изменять степень окисления,
определяется окислительно-восстановительным потенция-
лом Е. Каждую окислительно-восстановительную реакцию
можно разделить на две полуреакции. Например, реакцию.
Zn + Cu2+ Zn2+ + Си
можно разделить на две полурсакции:
Си2* + 2ё - Си; Zn - 2ё - Zn2+.
Электродвижущие силы этих полуреакций называются
электродными потенциалами. Соответственно окислитель-
но-восстановительный потенциал (ОКВ-потенииал) обшей
реакции представляет собой разницу электродных
потенциалов полуреакций. От величины и знака ОКВ-
потенциала зависят возможность реакции и ее направление.
Для всех элементов, способных менять степень окисления,
составлены таблицы нормальных или стандартных значений
электродных потенциалов полуреакций. Стандартный
электродный потенциал — это потенциал данного элек-
тродного процесса при активностях всех участвующих в
нем веществ, равных 1, и t - 25°С. Он выражается по
отношению к реакции превращения водорода Н° — е' •
- Н*, стандартный потенциал которой условно принимается
за нуль.
В табл. 3 приведены значения стандартных ОКВ-
потенциалов важнейших реакций, используемых при
очистке воды.
Таблица3 ОК8-потенциалы в водных растворах при температуре
25аС и при парциальном давлении газов, равном нормальному атмосфер-
ному давлению
Уравнение процесса Электродный по!енциал. Е
0$ +2Н+ + 2е“я: О2 + Н,0 +2.07
С1г + 2е“~' 2СГ +1.39
Cr.ot + 14Н+ + бе — 2Сг3+ + 7Н;О +1,33
MnO, +4Н* + 2е 2: Mn2* + 2HZO +1,23
NH * + 2Н„О X. NO7+8rl* + 6e 4 *• - +0,897
NO? + Н9О X NO j + 2Н+ + 2е“ +0,835
1-3+ - . г- 2+ Fe +е Fe +0.77
SO^+4H* + 2e“ i:H.SO? + H2O +0,17
178
Окислительные реакции используются при де-
токсикации цианидов в сточных водах. Окислителями могут
быть хлор и хлорсодержащис реагенты:
NaCN + С12 + 2NaOH - NaCNO + 2NaCl + H?O.
Образовавшиеся цианаты гидролизуются:
2NaCNO + 4HiO - (МН4)2СОз + МагСОз.
Восстановление в сочетании с последующим
химическим осаждением применяется для очистки сточных
вод от соединений хрома (VI):
К2СГ2О7 + ЗКаНБОз + 4H2SO4 - Cr2(SO4)3 +
+ K2SO4 + 3NaHSO4 + 4Н2О;
Cr2(SO4)3 + 6NaOH - 2Сг(ОН)з1 + 3Na2SO4.
Окислительные методы находят применение для устра-
нения запахов и привкусов природной воды, для доочистки
сточных вод от остаточных органических веществ.
Окислителями в этих процессах наиболее часто служат
перманганат калия, хлор и озон.
Глава 16. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Биологические процессы применяются преимущественно
при очистке сточных вод. Биологическим путем с участием
микроорганизмов перерабатываются загрязнения, нахо-
дящиеся в воде в растворенном, коллоиднем и нераство-
ренном состоянии. Помимо органических веществ перера-
ботке подвергаются некоторые неокисленные неор-
ганические соединения, такие, как сероводород, аммиак,
нитриты.
В широком наборе сооружений биологической очистки,
которыми мы располагаем сегодня, использованы, по су-
ществу, все известные метаболические особенности микро-
организмов. Существуют сооружения, в которых биоценозы
развиваются в аэробных или анаэробных условиях, в ус-
ловиях мезофильных или термофильных температур.
Биоценозы могут быть представлены преимущественно ге-
теротрофными или автогрофными микроорганизмами.
Любое сооружение для биологической обработки тех
или иных субстратов является своеобразной экологической
системой с определенными условиями и со сложившимся
179
биоценозом. От естественных экосистем, примерами ко-
торых могут служить водоемы или их участки, искуссг-
венные экосистемы очистных сооружений отличает высокая
плотность бнонаселения, высокая концентрация питатель-
ных веществ, возможность поддержания в них оптимальных
условий для жизнедеятельности организмов биоценоза. Все
эти особенности искусственных экосистем в совокупности
позволяют добиться высокой интенсивности биохимических
процессов в очистных сооружениях. В то же время по
своей сущности процессы биологического окисления в
природных условиях и в очистных сооружениях ана-
логичны.
48. АЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Очистку сточной воды в аэробных условиях осуществ-
ляют в сооружениях двух основных модификаций: в аэро-
тенках с активной биомассой (активный ил), взвешенной
в воде, или в биофильтрах, где активная биомасса
(биопленка) прикреплена к зернам инертной загрузки.
Состав микрофлоры и микрофауны илов и биопленки
формируется в зависимости от экологических условий,
основными из которых являются состав обрабатываемых
сточных вод, уровень растворенного кислорода, температу-
ра, pH, соотношение количества пиши и микроорганизмов,
наличие токсичных веществ и т.д.
Бионаселение активного ила и биопленки образует
сложный биоценоз, представленный бактериями, про-
стейшими, грибами, водорослями и некоторыми многокле-
точными организмами, такими, как коловратки, черви,
личинки насекомых.
Основную роль в процесса:: окисления органических и
некоторых неорганических примесей сточных вод играют
бактерии. Общее количество их в активном иле достигает
10s—10й клеток на 1 г сухою вещества. К числу самых
распространенных видов бактерий относятся псевдомона-
ды. Кроме них в илах городских очистных сооружений
обнаруживают бактерии родов Bacillus, Bacternum,
Achromobacters Zoogloea и др., а также семейства энте-
робактерий. В активном иле практически всегда присутст-
вуют актиномяцеты.
Из животного населения ила наиболее многочисленны про-
стейшие, представленные двумя типами: саркомэстигофорами
180
и инфузориями. Роль простейших многопланово. Они пита-
ются бактериями, поддерживая в иле бактериальное равно-
весие. Поедая наряду с молодыми старые клетки, простейшие
обусловливают омоложение ила и развитие новых жизнеспо-
собных клеток. Кроме того, высвобождается в воду до-
полнительное количество экзоферментов. Простейшие пита-
ются также частицами исходных загрязнений, благодаря чему
происходит дополнительное осветление воды. По численности
простейших и их состоянию, определяемому по внешнему
виду, можно судить об условиях работы очистного сооружения
и намечать меры оперативного управления процессом.
В иле хорошо работающего аэротенка обычно находят
10—15 видов простейших, достаточно равномерно представ-
ленных либо с незначительным преобладанием одно-двух
видов. В таком иле редко обнаруживаются мелкие амебы
и жгутиковые, в основном развиваются разнообразные
инфузории с преобладанием брюхорссничных и круго-
ресничных.
Любое нарушение в работе аэротенка приводит к
снижению числа видов простейших, преобладанию одного
или двух видов, к изменению размера и подвижности
организмов. Так, при недостатке в сооружении кислорода
преимущественное развитие получают простейшие, способ-
ные существовать в условиях кислородного дефицита. Это
в основном жгутиковые, из инфузорий развивается инфу-
зория-туфелька. Вортицеллы отрываются от стебелька и
раздуваются. У кругсресничных инфузорий ресничный
диск замкнут. Некоторые индикаторные простейшие
активного ила показаны на рис. 28.
Кроме простейших фауна активного ила представлена
коловратками, выполняющими те же функции, что и про-
стейшие. Реже в иле появляются черви.
Видовой состав бактерий биопленки практически не
отличается от активного ила, при условии обработки сточ-
ных вод одного и того же состава.
Существенные различия между активным илом и
биопленкой наблюдается в составе фауны. В биопленке в
большом количестве развиваются черви, потребляющие в
качестве питания избыточную биомассу. Минерализуя
биопленку, они способствуют ее выносу из загрузки, а
прорывая ходы в биопленке, черви облегчают доступ кисло-
рода к глубоким ее слоям.
181
Рис. 28. Некоторые индикаторные простейшие активного ила
Организмы — показатели хорошей работы аэротенка: J — Arcella
discoldei, 2 — Asp>dlsca turrlda; J — Opercu.aria glomerate; / — Eplsty lis
plicatilis; 5 — Oxyiricha pellionclla. 6 — Tokuphrya lemnarum
Организмы — показатели плохой работы аэротенка: 7 — Litonotus
lamella; 8 — Colpoda steini; 9 — Podophrya colllni; 10 — Bodo edax.
Фауна биофильтров подвержена сезонным изменениям. В
определенные периоды года в биофильтре развивается мно-
жество очень прожорливых личинок и куколок насекомых.
Поедая биопленку, они, как и черви, минерализуют ее.
Закономерности биохимического окисления
органических вешеств в аэробных условиях. Активный ил
имеет вид хлопьевидной массы со средним размером хлопь-
ев 1—4 мм. Он имеет очень развитую поверхность, сос-
182
тавляюшую около 100 м2 на 1 г сухого вещества, что обус-
ловливает его большую адсорбционную способность. Бла-
годаря столь значительной поверхности активного ила уже
через несколько минут контакта его со сточной водой
основная масса загрязнений оказывается сорбированной
хлопьями ила. Активный ил обладает высокой гидролизной
активностью, гидролитические экзоферменты располагаются
на поверхности бактериальных клеток, что исключает
потери продуктов гидролиза в окружающую среду. Благо-
даря действию экзоферментов на пскерхности клеток обра-
зуется сложный комплекс исходных веществ, ферментов и
продуктов ферментативного гидролиза. Последние перено-
сятся внутрь клетки, где и происходит их окисление
(см. рис. 14). Процессы окисления часто протекают
значительно медленней, чем изъятие веществ из сточной
воды хлопьями ила. В этом случае можно после небольшого
периода аэрации отделить ил от воды и продувать его
воздухом без подачи питательных веществ (сточной воды).
Такой процесс называют регенерацией активного ила, в
ходе которой ил восстанавливает свою биохимическую
активность. В процессе регенерации окисляются коа-
гулированные илом коллоидные и нерастворимые примеси
и продолжается развитие бактериальной культуры, что
приводит к увеличению числа жизнеспособных клеток.
Для гетеротрофных бактерий активного ила загрязнения
сточных вод одновременно служат источниками и энергии,
и основных биогенов для синтеза клеточного вещества.
Часть загрязнений, потребляемая в энергетическом
обмене, окисляется бактериями полностью в процессе
аэробного дыхания (см. 16).
Если сумму органических загрязнений сточных вод обоз-
начить через CxHyOzN, то процесс очистки от этих загрязнений
можно представить следующими условными реакциями:
Процесс (54) символизирует окисление загрязнений
сточных вод с целью получения энергии, которая необ-
ходима для синтеза клеточного вещества C5H7NO2 в
183
процессе (55). Условная формула C5H7NO2 показывает со-
отношение элементов в биомассе активного ила.
Когда основная часть питательных веществ сточной во-
ды использована, начинается самокисление активного ила:
C5H7NO2 + О? - 5СО? + NH3 + 2НгО + энергия. (56)
К этому моменту в среде создаются благоприятные условия
для развития звигорофных бактерий — нитрификаторов,
окисляющих аммонийный азот по реакциям (4) и (5).
Вновь синтезированная биомасса или прирост ила (55)
удаляется из системы для последующей обработки. Эта
часть активного ила называется избыточным илом,
Для нормальной жизнедеятельность активного ила не-
обходимо достаточное количество биогенных элементов —
азота и фосфора. Потребности клеток в фосфоре
относительное невелики, поэтому в условных реакциях
(54), (55) и (56) фосфор не фигурирует. Считается, то
при очистке городских сточных вод на каждые 100 частей
загрязнений, описываемых величиной БПК, в среде должно
быть 5 частей азота и 1 часть фосфора. Иными словами
должно соблюдаться соотношение БПК:М:Р - 100:5:1.
Количество кислорода рассчитывается как сумма рас-
хода кислорода на реакции (54), (55), на частичное
окисление ила и в системах с нитрификацией на окисление
аммонийною азота (4) и (5). Примечательно, что затраты
кислорода в процессах энергетического обмена (54) и синте-
за клеточного вещества (55) составляют БПКпилн очища-
емой воды.
49. АНАЭРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В технологии очистки городских сточных вод анаэроб-
ное окисление применяют в основном к концентрирован-
ным субстратам. На станции биологической очистки к
их числу относятся сырой осадок, образующийся при пред-
варительном (перед биологической очисткой) отстаивании
сточной воды, и избыточный активный ил, или биопленка.
Осадок и активный ил относятся к группе гидрофильных
органических субстратов, легко загнивающих и потому под-
лежащих обработке.
Основными органическими компонентами осадка и ила
являются белки, жиры и углеводы, в сумме составляющие
75—85% беззольного (органического) вещества. Остальные
15—20% приходятся на долю лигнино-гумусового комп-
184
лекса. Количественные соотношения веществ указанных
классов в осадке и иле заметно различаются. В активном
иле больше белков, так как он представляет собой живую
биомассу, а осадке преобладают жиры и углеводы.
Важная характеристика осадка и ила — бактериальная
обсемененность и наличие яиц гельмитов. Около 40—50%
бактерий, присутствующих в сточной воде, и примерно
столько же яиц гельмитов при отстаивании переходят в
осадок. Еще около 40% биологических загрязнений ока-
зывается в активном иле. Так как суммарный объем этих
осадков обычно не превышает 1% от объема сточной воды,
очевидно, что концентрация биологических загрязнений в
них существенно больше, чем в исходной воде. Так, со-
держание _коли-форм в 1 г сухого вещества осадка сос-
тавляет 10—10s, активного ила — 106—10 . Это делает
осадки чрезвычайно опасными в санитарно-эпидемиологиче-
ском отношении, поэтому одной из целей обработки осадков
является из обезвреживание.
Анаэробное окисление органических компонентов осад-
ка осуществляют по типу брожения (см. 16). Брожение
называют метановым, так как метан — один из конечных
продуктов процесса.
Процесс сбраживания можно проводить либо в ме-
зофильном режиме при 30-35^0, либо в условиях тер-
мофильных температур 50—55°С. В последнем варианте
достигается полное обезвреживание осадков.
Биоценоз микроорганизмов, сбраживающих осадок, на-
зывают анаэробным илом. В отличие от активного ила
аэротенков анаэробный ил — чисто бактериальный с чрез-
вычайно разнообразным населением. Условно бактериаль-
ное население анаэробного ила можно разделить на две
группы, кислотообразующие бактерии и метаногенные или
метанообразующие бактерии.
Кислотообразующие бактерии представлены облигат-
ными и факультативными анаэробами. Из бродящего осадка
разными исследователями выделено от 50 до 92 видов бак-
терий, из них около половины способны образовывать
споры. В совокупности кислотообразующие бактерии спо-
собны использовать в качестве источников энергии и эле-
ментов для конструктивного обмена все компоненты осадка
и ила. Время генерации многих видов кислотообразующих
бактерий составляет 20—60 мин. Они способны жить в
185
широком интервале значений pH и окислительно-восста-
новительного потенциала.
Виды метаноибразующих бактерий немногочисленны и
относятся в трем родам: Mcthanobac terium, Methanococcus,
Methanosarcina. Все метаногенные бактерии — облигатные
анаэробы, очень чувствительные к любым даже слабым
окислителям. Оптимум pH и ОКВ ограничен очень узким
интервалом, соответственно 6,8—7.5 и (—510) —
(—590) мВ. Они очень медленно размножаются: время ге-
нерации составляет от 24 ч до нескольких суток.
Закономерности биохимического окисления веществ в
анаэробных условиях. Последовательность биохимических
превращений сложных органических компонентов осадка и
активного ила в процессе брожения принято описывать схе-
мой Баркера. В соответствии с этой схемой метаноное
сбраживание представляют как двухстадийный процесс,
включающий стадии кислотообразования и метанообразо-
вания.
Стадия кислотного брожения. Эту стадию осуществ-
ляют кислотообразующие бактерии. Обладая высокой
гидролитической активностью, бактерии гидролизуют
белки, жиры и углеводы осадка и ила, превращают их в
соединения, легко проникающие внутрь клеток. Внутрикле-
точные превращения продуктов гидролиза белков, жиров
и углеводов (см. 16) приводят к образованию кислот и
спиртов жирного ряда, Hi и COi. Более 70% образо-
вавшихся кислот приходится на долю уксусной кислоты,
около 25% составляют масляная и пропионовая кислоты,
в небольших количествах образуются капроновая и ва-
лериановая кислоты.
Стадия щелочного или метанового брожения. Мета-
ногенные бактерии, осуществляющие эту стадию, не спо-
собны утилизировать сложные органические компоненты
осадков,но потребляют низшие жирные кислоты и соответ-
ствующие спирты — продукты метаболизма кислотообра-
зующих бактерий. Биологическая роть образования метана
состоит в получении клеткой необходимой энергии.
Существуют два основных пути образования метана.
1. Восстановление метильной группы уксусной кислоты
и метилового спирта:
СНзСООН — СН4 + СОг; (57)
4СНзОН '-ЗСН4 + СО2 + Н2О. (58>
186
Рис. 29. Биохимические превращения веществ на стадии метанообра-
зованш
2. Восстановление диоксида углерода:
4АН1 + СО2^СН4 + 2НзО + А, (59)
сце АНг — жирные кислоты, кроме уксусной, и спирты, кроме мстилового-
Например, превращение этилового спирта происходит
в соответствии с реакцией:
2СН3СНзОН + СОз — СН4 + 2СН3СООН.
По типу реакции (59) происходит и восстановление
молекулярным водородом — продуктом первой стадии бро-
жения:
4Н2 + СОз * СН4 + 2НзО.
Общая схема превращения низших жирных кислот и
соответствующих спиртов в процессе метанового брожения
показана на рис. 29.
Считается, что около 7Э% метана образуется в
реакциях (57) и (58), а остхтьные 30% — при восстанов-
лении диоксида углерода (59). Образующийся в процессе
брожения газ состоит из метана (65 — 70%) и СОз.
187
В нормально работающем метантенке обе стадии бро-
жения идут синхронно. Любые нарушения режима
сбраживания (перегрузка, перегрев, изменение ОКВ) в пер-
вую очередь сказываются на метаногенных бактериях,
поэтому усилия технологов направлены на поддержание
оптимальных условий жизнедеятельности метанообразу-
ющих бактерий.
Г л а в а 17. ПРОЦЕССЫ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
Одной из основных задач очистных сооружений водо-
провода и канализации является предо!вращение возмож-
ного распространения через воду кишечных инфекций.
Эффективность работы станций полной биологической
очистки сточных вод по удалению бактериальных загряз-
нений обычно составляет 90—95%. Коагулирование,
отстаивание и фильтрование воды на водопроводных
станциях также обеспечивают изъятие основной части
микрофлоры и микрофауны природной воды. Однако
санитарно-эпидемиологическая безопасность воды обес-
печивается только при условии ее обеззараживания.
Под обеззараживанием понимают дезинфекцию воды,
т.е. удаление из нее и уничтожение патогенных микроор-
ганизмов. Обеззараживание воды может быть достигнуто
многими способами: тепловой обработкой, действием уль-
тразвуковых колебаний, ультрафиолетового или
ионизирующего ихзучсния, сильных окислителей и т.д.
Любой вид обеззараживания приводит к поражению и
гибели бактериальной клетки в результате свертывания
белков цитоплазмы или нарушения пограничных структур
клетки, или химического взаимодействия обеззараживаю-
щего агента с клеточными веществами. Бактерицидные
агенты могут обладать и комбинированным действием, под
которым подразумевается одновременное проявление не-
скольких механизмов поражения клетки.
Свертывание белков происходит при тепловой обработке
и при действии электролитов, приводящих к коагуляции
коллоидов цитоплазмы. Повреждение белковых структур и,
в частности, ферментов вызывают соли серебра и меди.
Особенностью этих соединений является их способность
188
оказывать микробоцидное действие в очень малых концен-
трациях (олигидинамическое действие).
На поверхностные структуры клетки воздействуют
СПАВ, некоторые антибиотики. фенолы, спирты.
Например, СПАВ, сорбируясь на поверхности клетки, на-
рушают проницаемость оболочки и цитоплазматической
мембраны, что приводит к нарушению равновесия клетки
с окружающей средой и сс гибели. Механическое нару-
шение целостности клеточной стенки и мембраны вызыва-
ется действием ультразвука.
Разрушение молекулярных структур цитоплазмы
происходит под действием ионизирующего облучения, спо-
собного вызывать ионизацию атомов и молекул.
Микробоцидное действие сильных окислителей объяс-
няется их способностью вступать в химическое взаимо-
действие с компонентами цитоплазматической мембраны и
разнообразными биополимерами цитоплазмы клетки.
Для обеззараживания питьевых и сточных вод чаще
всего применяют обработку воды сильными окислителями.
В качестве окислителей используют хлор и его соединения
(хлорная известь, диоксид хлора), а также озон. Для обез-
зараживания подземных од применяют и бактерицидное
облучение.
Эффективность снижения бактериальных загрязнений
сточных вод на станциях полной биологической очистки с
обеззараживание повышается до 99:5—99,9% Коли-индекс
биологически очищенных сточных вод, сбрасываемых в во-
доем, не должен при этом быть выше 1000. Обезза-
раживанием воды на коммунальных водопроводах обес-
печивает практически полное уничтожение коли-форм
(коли-индекс не более 3). Сильные окислители, однако,
нс оказывают губительного действия на яйца гельминтов.
Как уже говорилось, в санитарном отношении осадки пред-
ставляют еще большую опасность, чем сточная вода. Обезв-
реживание и полная дегельминтизация осадков сточных вод
достигаются в результате анаэробного сбраживания их в тер-
мофильных условиях (/ • 50—55°С). В мезофильном режиме
(при температуре 30—ЗЗсС) погибает около половины яиц
гельминтов. При отсутствии на станциях метантенков обез-
зараживание осадка осуществляют с помощью газовых горелок
инфракрасного излучения, прогревом осадка острым паром до
t 60—65°С, известкованием или компостированием.
189
Перечисленные методы применимы для обработки небольших
количеств осадков.
50. ХЛОРИРОВАНИЕ
Хлор при введении в воду гидролизуется с образованием
хлорноватистой и сатаной кислот:
CI2 + Н2О НОС1 + НС1. <60>
Хлорноватистая кислота диссоциирует на ионы НОС1=?
=*Н+ + ОСГ. Равновесие между CI2, НОС1 и ОСГ зависит от
pH среды. Бактерицидным действием обладает
неди^хоциированная ллорнсьа гистдя кислота, поэтому обез-
зараживание хлором эффективней в кислой среде при pH “
- 4—7, когаа в воде присутствуют в основном молекулы НОС1.
В процессе обеззараживания хлор расходуется на
окисление органических примесей, содержащихся в воде,
поэтому для обеспечения надежного бактерицидного эф-
фекта в обработанной воде поддерживают определенную
концентрацию остаточного хлора. Зависимость между дозой
введенного и концентрацией остаточного активного хлора
выражается кривей, показанной на рис. 30. Отрезок О А
соответствует полной хлоропоглощаемости воды. Чем боль-
ше в воде вешеств, способных окисляться хлором, тем боль-
ше величина хлоропоглшцаемости. Для обеззараживания
сточных вод поэтому требуются большие дозы хлора. Так,
для обеззараживания воды из подземных источников доза
активного хлора пс СНиПу должна составлять 0,7—1 мг/л,
сточной воды после полной биологической очистки — 3
мг/л, а сточной воды, прошедшей только механическую
очистку, — 10 мг/л.
При эксплуатации очистных сооружений требуемую до-
зу хлора уточняют экспериментально пробным
хлорированием, по результатам которого строят кривую
хлоропоглощаемости воды (см. рис. 30). Задаваясь концен-
трацией остаточного свободного хлора, определяют необ-
ходимую дозу хлора. При хлорировании питьевой воды
концентрация остаточного свободного хлора должна быть
не менее 0,3 и не более 0,5 мг/л. Количество остаточного
хлора в сточной воде после 30 мин контакта должно быть
не менее 1.5 мг/л.
Хлорирование воды при наличии в ней аммиака или
солей аммония требует большего расхода хлора, так как
190
Рис. 30. Хлоропоглошэемость
ВОДЫ
он связывается с указанными соединениями, образуя хло-
рамины:
NH3+ НОС1 -* NH2CI + Н2О;
NH2CI + НОС1 — NH2CI + Н2О;
NHCI2 + НОС! -* NC13 + Н2О.
Этому процессу соответствует участок J графика,
приведенного на рис. 31. С повышением дозы вводимого
хлора в воле постепенно возрастает концентрация остаточ-
ного хлора, связанного в хлорамины. Хлорамины обладают
более слабым микробоцидным действием, чем хлор, поэто-
му для обеспечения требуемого эффекта обеззараживания
концентрации остаточного связанного хлора в воде должна
быть 0,8—1,2 мг/л.
Если продолжать вводить хлор в воду после связывания
всех аммонийных соединений в хлорамины, то начинается
окисление их свободной хлорноватистой кислотой:
NH2CI + NHCh + НОС1 — N2O + 4НС1;
NII2CI + Н2О -* NH(OH)C1 + HCI;
^NH(OH)C1 + 2HOCI — HNO3 + ЗНС1.
С начала протекания реакций окисления хлораминов
количество остаточного связанного хлора в воде умень-
шается, несмотря на увеличение дозы введенного хлора
(участок Л). После окончания реакций окисления хло-
раминов в воде появляется остаточный свободный хлор, и
его количестве становится пропорциональным дозе введен-
ного хлора (участок III). Поэтому при хлорировании воды,
содержащей аммионийные соединения, требуемая доза
определяется пс прямой за точкой Б, которая называется
точкой перелома.
При хлорировании воды, содержащей фенолы, в ней
могут появиться неприятные запахи, обусловленные обра-
191
Рис. 31. Хлоро поглощаемость воды в
присутствии аммонийных солей
зованием хлорфенольных соединений. Для предотвращения
образования запахов проводят хлорирование с ам-
монизацией. В воду сначала вводят аммиак, а затем хлор.
Образующиеся хлорамины препятствуют взаимодействию
фенолов с хлором, что предотвращает образование хлор-
фенольных запахов.
Кроме газообразного хлора для обеззараживания воды
могут быть использованы его соединения, из которых чаще
всего используют гипохлориты натрия и кальция. При рас-
творении в воде происходит гидролиз этих соединений с
образованием хлорноватистой кислоты:
NaOCl + Н20х±Н0С1 + NaOH.
Тзк же, как и в случае использования газообразного
хлора, соотношение между нсдиссоциированкой хлорно-
ватистой кислотой и гипохлорит-ионом определяется
величиной pH.
В последние годы разработан и находит применение
электрохимический метод обеззараживания воды. Элект-
ролизу подвергают морскую, соленую подземную воду или
раствору поваренной соли. В процессе электролиза проте-
кают следующие реакции: на аноде 2СГ — Ch + 2ё; на
катоде Н2О ОН' + Н+. Выделяющийся на аноде хлор
гидролизуется [см. реакцию <60; ] с образованием хлорно-
ватистой кислоты. Водород выделяется из раствора в виде
газа: 2Н + 2ё Н21, а ионы гидроксида связываются с
ионами натрия; ОН" + Na^-*NaOH. В результате взаимо-
действия хлорноватистой кислоты и щелочи образуется
гипохлорит натрия:
НОС1 + NaOH NaOCl + Н2О.
Электролиз морской воды позволяет получить продукт
с концентрацией активного хлора до 3 г/л. Более высокие
192
концентрации (до 8 г/л) могут быть получены при элек-
тролизе растворов поваренной соли.
Сущность процессов, протекающих при добавлении про-
дуктов электролиза к обеззараживаемой воде, не отлича-
ется от общих закономерностей хлорирования. Применение
электрохимического метода обеззараживания позволяет
избежать трудностей, связанных с транспортированием и
хранением токсичного газообразного хлора.
51. ОЗОНИРОВАНИЕ
Озон является аллотропической модификацией кисло-
рода и представляет собой бледно-фиолетовый газ, очень
токсичный, с характерным запахом, обнаруживаемым даже
при разбавлении 1:10 . Основные преимущества использо-
вания озона для обеззараживания воды (по сравнению с
хлором) объясняются его свойствами. Озон — более
сильный окислитель, и поэтому наряду с микробоцидным
действием способствует улучшению органолептических
свойств воды: снижению цветности и устранению запахов.
Интенсивность микробицидного действия озона зависит от
вида микроорганизмов и характера примесей, содер-
жащихся в воде.
Быстрое воздействие оказывает озон на вегетативные
клетки бактерий и основную часть вирусов. Однако, если
в воде присутствуют легко взаимодействующие с озоном
вещества, такие, как соединения двухвалентного железа,
гуминовые кислоты, одноатомные фенолы, их окисление
предшествует инактивации бактерий и вирусов. Более ус-
тойчивы к действию озона спороносные бактерии. Из
наиболее характерных органических примесей воды труднее
окисляются фульвокислоты, нефтепродукты, СПАВ,
пестициды. Озон энергично окисляет фенольные со-
единения, поэтому обработка озоном воды, содержащей
фенолы, предпочтительнее, чем хлором.
В воде озон достаточно быстро распадается с образо-
ванием кислорода. Озон образуется из кислорода при про-
пускании через него "тихого" электрического разряда. В
промышленных условиях для получения озона используют
генераторы озона — трубчатые озонаторы. Для
производительной работы озонатора необходимы тщатель-
ная очистка и высушивание используемого кислорода или
воздуха и обязательное его охлаждение.
193
Для смешения озоно-воздушной смеси с обрабатываемой
водой в зависимости от качества воды и производительности
установки применяют барботажное перемешивание, ме-
ханические турбинные смесители, водоструйные насосы и
эжекторы.
Расход озона, обеспечивающий обеззараживание воды,
зависит от ее качества, концентрации озона в озоно-воз-
душной смеси, вида смесителя, температуры воды и других
факторов. Необходимая доза озона при обеззараживании
питьевых вод составляет 0.75—3 мг/л. Концентрация оста-
точного озона после камер смешения поддерживается на
уровне 0,1—0,3 мг/л.
Применение озона для обеззараживания сточных вод
оправданно в тех случаях, когда по тем или иным
причинам невозможно осуществлять хлорирование.
Например, при наличии в сточной воде соединений, обра-
зующих с хлором вещества, усиливающие цветность, запах
или токсичность воды; при невозможности разместить скла-
ды с хлором на станции очистки из-за близости жилого
массива; при комплексном использовании озона для обез-
зараживания воды и окисления вредных примесей, которые
невозможно или экономически невыгодно устранять
другими методами.
С целью уменьшения расхода озона целесообразно
озонировать сточные воды после доочистки на
микрофильтрах или на фильтрах. Дозы озона для обезза-
раживания сточных вод составляют 6—10 мг/л. Про-
должительность контакта принимается равной 8—20 мин.
52. БАКТЕРИЦИДНОЕ ОБЛУЧЕНИЕ
Бактерицидное действие на микроорганизмы оказывают
ультрафиолетовые лучи с длиной волны 200—295 мм. Та-
кой диапазон излучения дают аргоио-ртутныс лампы низко-
го давления и ртутно-кварцевые лампы высокого давления.
Этот метод относится к числу физических безреагент*
ных методов. Его основное преимущество перед описан-
ными выше химическими методами обеззараживания за-
ключается в отсутствии изменений в составе и свойствах
обеззараживаемой воды.
Бактерицидное облучение применяется главным обра-
зом для обеззараживания подземных вод, удовлетворяющих
требованиям стандарта на питьевую воду по «рганолептиче-
194
скому и токсикологическому показателям вредности и име-
ющих коли-индекс не выше 1060.
Эффективность бактерицидного облучения зависит от
количества затраченной энергии, т.е. один и тот же эффект
обеззараживания может быть достигнут при длительном
облучении с малой интенсивностью или, наоборот, при ко-
роткой экспозиции, нс с больший интенсивностью облу-
чения.
Глава 18. ПРОЦЕССЫ САМООЧИЩЕНИЯ ВОДОЕМОВ
Вода открытых водоемов является естественной средой
обитания разнообразных организмов (гидробионтов)
растительного и животного происхождения.
Гидробионты в водоемах образуют биоценозы, количе-
ственный и качественный состав которых обусловлен рядом
физических, химических и биологических факторов.
Открытые водоемы отличаются большим разнообразием и
непостоянством как химического состава, так и микрона-
селения воды. Последнее складывается из собственного
микронаселения, присущего данному водоему (автохтонно-
го), и микроорганизмов, поступающих в водоем с
различными источниками загрязнения и приспособившихся
к условиям существования в данном водоеме.
В сложных биологических сообществах, форми-
рующихся в водоеме, в зависимости от места обитания
различают несколько биоценозов.
Планктон — совокупность организмов, населяющих
толщу воды. Организмы планктона представлены раститель-
ными {фитопланктон) и животными (зоопланктон) фор-
мами. Размеры их колеблются в значительных пределах,
в связи с чем различают: улыпрапланктон (бактерии),
карликовый планктон (мельчайшие низшие растения и
простейшие), микропланктон (большинство водорослей,
инфузории, коловратки, мелкие ракообразные). Состав
планктона зависит от степени загрязненности воды, от
гидродинамических условий в водоеме, от времени года.
Зимой количество планктонных организмов снижается до
минимума. Весной начинается массовое развитие диатомо-
вых, затем зеленых водорослей и цианобактерий. Это, в
195
свою очередь» приводит к развитию зоопланктона, пред-
ставители которого питаются водорослями.
Бентос — совокупность растительных и животных
организмов, обитающих на дне и в толще донных осадков.
Различают макробентос — организмы, имеющие размеры
более 1 мм, и микробентос — организмы, имеющие раз-
меры менее I мм. Бактериобентос представлен аэробными
и анаэробными сапрофитами. Фитобентос значительно
развит только в водоемах с прозрачной водой. Наиболее
богат бентос животными организмами: простейшими, ко-
ловратками, олигохетами, нематодами, личинками насеко-
мых, моллюсками. Видовой состав зообентоса зависит от
характера и степени загрязненности грунта.
Перифитон, или оброет, развивается на погруженных
в воду растениях, подводных предметах, водоводах и т.д.
Основную массу этою биоценоза составляют прикреплен-
ные организмы, но есть и свободно плавающие. В состав
перифитона входят зеленые водоросли, диатомеи,
ресничные и сосущие инфузории, коловратки, олигохеты,
некоторые виды моллюсков.
В экологическую систему водоема как составная часть
входит и высшая водная растительность (макрофиты). К
числу наиболее распространенных макрофитов относятся:
погруженные и взвешенные в толше воды рдесты,
роголистник, элодея; из растений с плавающими
листьями — горец земновидный и ряска; из надводных —
тростник, рогоз, камыш. Последний развиваются преиму-
щественно в зоне глубиной до 1,5 м.
53. ИСТОЧНИКИ И ХАРАКТЕР ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОДОЕМОВ
Следует различать первичное и вторичное загрязнение
водоемов. Основными источниками первичного загрязнения
являются сбросы бытовых и производственных сточных вод,
а также поверхностный сток с площади водосбора. Пос-
ледний содержит органические и минеральные вещества,
вымываемые из почвы, микрофлору почвы, в том числе
микробы физиологических выделений человека и живот-
ных. В период паводка часть прибрежной полосы вместе
с растительным покровом затопляется. Процесс этот соп-
ровождается интенсивным распадом остатков растений, в
результате чего в водоем поступает значительное количе-
ство органических вешеств.
196
С очищенными сточными водами городской ка-
нализации в водоем попадают недоокисленные
органические соединения (в основном трудноокисляемые),
взвешенные частицы активного ила, содержащие массу бак-
терий и простейших, и целый ряд неорганических со-
единений, к числу которых относятся соединения биогенных
элементов (азота и фосфора), соли тяжелых металлов,
сульфаты, хлориды и т.д.
Серьезную опасность для водоема представляют сточные
воды промышленных предприятий. Характер загрязнений,
вносимых в водоем с производственными стоками, крайне
разнообразен. Одни из них, такие, как цианиды, со-
единения мышьяка, фенолы, являются ядами для
гидробионтов, другие, например клетчатка и лигнин (не-
пременные компоненты стоков целлюллозных комбинатов),
сами нетоксичны, но разложение их в водоеме приводит
к образованию монокарбоновых кислот, меркаптанов, се-
роводорода — веществ, токсичных для водных организмов.
Особого внимания заслуживает загрязнение водоема
нефтепродуктами, пестицидами, поверхностно-активными
веществами. Нефть и продукты се переработки способны
образовывать на поверхности воды пленку, препятствую-
щую реаэрации; растворенные и эмульгированные нефте-
продукты при концентрации -?0.05 мг/л придают воде
неприятный привкус. Пестициды, применяемые для борьбы
с вредными насекомыми, паразитическими грибами, сор-
няками, попадают в водоем с сельскохозяйственных полей.
Все пестициды — соединения ядовитые, но, как правило,
малирастворимые в воде. Даже при очень низкой концен-
трации, порядка п-1 О'' мг/л, пестициды обладают ярко вы-
раженным токсичным действием на организмы зоопланк-
тона. И нефтепродукты, и пестициды частично переходят
в донные отложения, накапливаются в них и могут пов-
торно служить источником загрязнения воды. Их опасность
для человека объясняется возможностью передачи этих ве-
ществ пи пищевой цепи водных организмов и накопления,
в частности, в телах рыб.
Широкое применение поверхностно-активных веществ
в промышленности и быту обусловило появление их в во-
доемах. Концентрация ПАВ в несколько десятых долей
миллиграммов в 1 л приводит к обильному ценообразо-
ванию. Отрицательное воздействие ПАВ проявляется в на-
рушении кислородного режима в водоеме и в токсичном
197
воздействии их на микроорганизмы, в результате чего
блокируется процесс разложения органических веществ бак-
териальным населением планктона.
Одним из основных санитарных показателей состояния
водоема является растворенный кислород. Резкое снижение
концентрации в воде может произойти в результате пос-
тупления в водоем больших количеств легкоокисляемых
органических загрязнений. Ухудшение кислородного
режима нередко приводит к гибели гидробионтов.
Со сточными водами промышленных предприятий в во-
доем попадают некоторые специфические микроорганизмы,
например дрожжи (из стоков молочной и бродильной про-
мышленности) .
Кроме сточных вод источником бактериального загряз-
нения водоемов является купание людей и животных.
Подсчитано, что 10-минутное купание человека вносит в
воду более 3 109 сапрофитных бактерий от 105 до 2 10т
кишечных палочек.
Неменьшую опасность для водоема представляет
вторичное его загрязнение, обусловленное разложением
отмирающих ведных организмов. Сезонность в развитии
фитопланктона и последующее его отмирание приводят к
обогащению воды органическими веществами, на мине-
рализацию которых требуется значительное количество
кислорода. Будучи автотрофами, водоросли практически в
любом водоеме находят источник углеродного питания, и
лимитирующим фактором их развития является наличие в
воде биогенных элементов (N и Р), Таким образом,
ограничить избыточное развитие водорослей можно, лишь
предотвратив попадание в водоем биогенов.
Степень загрязненности водоема оценивается по
количеству и характеру присутствующих в воде
органических соединений При этом каждой степени за-
грязненности соответствует развитие специфических сооб-
ществ организмов. Способность организмов развиваться в
среде с тем или иным содержанием органических веществ,
при той или иной степени загрязненности называется сап-
робностью данного организма. Поскольку гидробионты
являются весьма чувствительными индикаторами на изме-
нение экологической обстановки, оказалось возможным
оценивать степень загрязненности водоема по присутствию
в нем организмов известной сапробности. В зависимости
198
от степени загрязненности водоемы или их зоны подраз-
деляются на ноли-, мезо- и олигосапробные.
Полисаприбная зона (зона сильного загрязнения) ха-
рактеризуется наличием в воде большого количества не-
стойких органических соединений и почти полным
отсутствием свободного кислорода. Вследствие этого
биохимические процессы в этой зоне носят анаэробный ха-
рактер. Вода содержит значительные количества газообраз-
ных продуктов анаэробного распада органических ве-
ществ — СОг, HzS, СН4. Количество бактерий может
достигать многих миллионов в 1 мл.
В условиях этой зоны наблюдается массовое развитие
гетеротрофных растительных организмов: разнообразных
сапрофитных бактерий, нитчатых бактерий, из водорослей
развивается Evglena viridis. из грибов — Fusarium
aquaeductum. Среди животных организмов полисапробний
зоны наиболее характерны мелкие бесцветные жгутиковые,
инфузории Colpidium colpoda, Vorticella microstoma, амебы
Pelomyxa palnstris. Микронассление бентоса составляют в
основном анаэробные сапрофитные бактерии, олигохеты
Tubifex, Limnodrilus, личинки комара Chironomus plumosus.
Мезосапробная зона (зона среднего загрязнения) под-
разделяется на с/- и £-мсзосапробные подзоны.
В первом из них протекают аэробные процессы
окисления органических веществ с образованием аммиака.
Кислород присутствует, но его недостаточно. В этой зоне
развиваются главным образом организмы, обладающие вы-
носливостью к недостатку кислорода. Преобладают гете-
ротрофные бактерии, грибы Mucor Racemosus, из циано-
бактерий — Oscillatoria. Животные организмы представле-
ны многочисленными видами инфузорий (Paramecium-
caudatum, Operculariacoarctata), коловратками (Rotaria),
жгутиковыми, низшими ракообразными (Daphnia magna,
Daphnia pulex). В илах много олигохет, личинок хирономид.
Вторая мезосапробная подзона характеризуется почти
полным отсутствием легкоокисляемых органических ве-
ществ. В воде присутствуют аммиак и продукты его
окисления — нитриты и нитраты. Кислорода в воде до-
статочно. В среде развиваются автотрофные организмы:
цианобактерии (Anabaena), зеленые (Scenedesmus) и диато-
мовые (Meiosira) водоросли, нитрифицирующие бактерии.
Из простейших — инфузории и корненожки. Из прочих
животных планктона появляются коловратки и ракообраз-
199
ные. В донных отложениях протекают интенсивные проц-
ессы минерализации с участием бактерий, многочисленных
видов червей, личинок разнообразных насекомых, моллю-
сков. Появляются макрофиты (роголистник).
В олигосапробнои зоне (зоне чистой воды) растворен-
ные органические вещества практически отсутствуют, в
связи с чем развиваются в основном автотрофные
организмы. Количество кислорода близко к полному насы-
щению. Зона характеризуется законченностью процессов
витрификации. Общее количество бактерий падает до
т хяч, сотен и даже десятков в 1 мл. Наблюдается большое
видовое разнообразие микроорганизмов. Из водорослей ха-
рактерны диатомовые (Cymbella cesati) и зеленые (Ulothrix
zcnaia, Drapamaldia), из коловраток — Kelicoitia
longispina, из ракообразных — ветвистоусые и веслоногие
(Eudiapiomus gracilis) рачки. В илах присутствуют личинки
поденок, моллюски.
В целом переход от поли- к олигосапробной зоне ха-
рактеризуется уменьшением численности микробов при
одновременном увеличении их видового разнообразия.
Оценка степени загрязненности водоемов по степени
сапробности часто оказывается недостаточной в связи с пос-
туплением в водоем токсичных веществ. Например, с
поверхностным стоком с сельскохозяйственных полей в во-
доем могут попадать пестициды и гербициды.
Способность гидробионтов существовать в среде с
различной концентрацией токсичных веществ называют
т оке обн остью. По аналогии с сапробкостью различают
поли-, мезо-, олиготоксобность организмов в зависимости
от их устойчивости к токсичным веществам. Е зависимости
от концентрации токсичных соединений в воде соответст-
венно различают поли-, мезо- и олиготоксобные зоны.
54. САМООЧИЩЕНИЕ ВОДОЕМОВ
Поступающие в водоем загрязнения вызывают в нем
нарушение естественного равновесия. Способность водоема
противостоять этому нарушению, освобождаться от
вносимых загрязнений и составляет сущность процесса са-
моочищения. Самоочищение представляет собой сложный
комплекс физических, физико-химических, химических и
биохимических явлений.
200
Гидродинамические процессы смешения стока с водой
водоема во многом определяют интенсивность само-
очищения, так как понижают концентрацию загрязнений.
К числу физических факторов самоочищения относятся
также процессы осаждения нерастворимых примесей, пос-
тупающих в водоем со сточными водами. Физические
явления осаждения тесно связаны с жизнедеятельностью
гидробионтов — фильтраторов и седиментзторов. Они
извлекают из воды огромные количества взвешенных ве-
ществ и выбрасывают непереваренный материал в виде
фекальных комочков, легко оседающих на дно. Еще боль-
шее значение имеет процесс образования моллюсками псев-
дофекалий. Таким образом, гидробионты ускоряют проце-
ссы осаждения, способствуя очистке воды от взвешенных
веществ и осаждению их в донные отложения.
В водоеме протекают и чисто химические реакции ней-
трализации, гидролиза, окисления. Например, при само-
очищении от ионов Fe, Mg, Al преобладающим процессом
является реакция образования гидроксидов этих металлов
с последующим их осаждением.
Самоочищение от ионов тяжелых металлов происходит
за счет целого ряда процессов: соосаждения с гидроксидами
перечисленных выше металлов, сорбции ионов
органическими коллоидами, образования сложных метал-
лоорганических комплексов с гуминовыми кислотами. Доля
участия каждого из этих процессов в удалении тяжелых
металлов зависит от pH, окислительно-восстановительных
условий в водоеме, концентрации металлов. В результате
вода освобождается от тяжелых металлов, а в донных отло-
жениях происходит их накопление. Изменение окислитель-
но-восстановительных условий в донных осадках может
привести к переходу ионов металлов в водный слой, т.е.
к вторичному загрязнению воды.
Минерализация органических загрязнений происходит
главным образом за счет биохимических процессов, про-
текающих с участием разнообразных гидробионтов.
Биохимические превращения в водоемах осуществляются
как в водной среде, так и в донных отложениях.
Главенствующую роль в окислении растворенных
органических веществ играют бактерии. Поступление в во-
доем органических загрязнений вызывает в нем бурное
развитие сапрофитных бактерий. При этом видовой состав
бактериального населения определяется характером внссен-
201
ных загрязнений. В воде развиваются виды, способные
использовать те или иные внесенные вещества в качестве
источников питания.
Постепенное истощение запасов питательных веществ
приводит к уменьшению числа бактерий. Снижение числа
бактерий происходит и за счет поедания их представите-
лями зоопланктона (простейшими, коловратками, ракооб-
разными), которые, удаляя из воды коллоиды и мелкие
взвешенные вещества, одновременно уничтожают и бак-
терии.
Органические вещества, как внесенные извне, так и обра-
зовавшиеся в результате отмирания фито- и зоопланктона,
частично оседают на дно. В донных отложениях процессы
минерализации протекают столь же интенсивно, как и в вод-
ном слое. В этих процессах принимают участие бактерии,
черви, моллюски, п росте ши е, личинки насекомых.
Процессы минерализации заметно усиливаются, если в
водоеме присутствуют макрофиты. На стеблях и листьях
водных растений обильно развиваются организмы
перифитона, принимающего участие в окислении
органических веществ. В зарослях макрофитов бентос, как
правило, более богат разнообразными организмами —
минерализаторами. Макрофиты стимулируют процессы
аэробного биохимического разложения органических ве-
ществ, выделяя в воду значительные количества кислорода.
Кроме того, установлено, что в присутствии макрофитов
интенсифицируется деятельность многих бактерий, в час-
тности нефтсок меняющих. Объясняется это явление выде-
лением макрофитами в среду метаболитов, стимулирующих
обменные процессы у бактерий.
В процессах самоочищения принимает участие комп-
лекс биоценозов, образованных различными гидробионтами.
Большинство из них принимает непосредственное участие
и в освобождении водоема от бактериальных загрязнений,
в том числе от патогенных микробов. Механизм антибак-
териального действия гидробионтов достаточно разнообра-
зен. Одни из них поглощают бактерии в качестве питания,
другие вызывают лизис клетки, третьи выделяют в среду
бактерицидные вещества. Между бактериальным насе-
лением и другими гидробионтами складываются взаимоот-
ношения разного типа. Преобладающими среди них помимо
пищевых являются метабиоз и антагонизм.
202
Антагонистические отношения между водорослями и
бактериями обусловлены несколькими причинами. Это мо-
жет быть конкуренция за источники азотного питания или
то обстоятельство, что в процессе фотосинтеза водоросли
подщелачивают среду до pH - 9. Кроме того, многие во-
доросли (например, зеленые водоросли Chlorella и
Scenedesmus) выделяют в среду вещества (метаболиты),
обладающие бактерицидным действием. Установлено, что
бактерицидное действие зеленых водорослей распространя-
ется и на бактерии группы Coli, и на возбудителей многих
кишечных инфекций. В уничтожении патогенных бактерий
принимают участие и бактериофаги.
В водоемах с богатым микронаселением болезнетвор-
ные микробы гибнут скорее, чем в водоемах с незначитель-
ным количеством гидробионтов. Объясняется это действием
антагонистических отношений между бактериями и другими
микроорганизмами.
В зимних условиях процессы бактериального само-
очищения протекают медленнее, и патогенная микрофлора
сохраняется в воде дольше, так как биологические факторы
самоочищения при пониженных температурах действуют с
малой интенсивностью.
Биохимическая деятельность гидробионтов является
доминирующим процессом в самоочищении водоема. Но
среди гидробионтов немало организмов, массовое развитие
которых может принести и значительный вред.
Цветение пресных водоемов вызывается бурным
развитием микроскопических водорослей и некоторых видов
жгутиковых. Даже при небольшом цветении резко ухуд-
шаются органолептические свойства воды. Цветение ослож-
няет работу фильтров на водопроводных станциях: фильтры
быстро забиваются, а водоросли, накапливаясь в фильтре,
начинают разлагаться, придавая воде неприятные привку-
сы и запахи.
Массовое развитие некоторых видов цианобактерий мо-
жет служить причиной падежа скота и кишечных отрав-
лений у людей.
55. СПУСК СТОЧНЫХ ВОД В ВОДОЕМЫ
Для предотвращения загрязнения водоема к спускаемым
сточным водам предъявляются определенные требования.
"Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения
203
сточными водами нормируются показатели качества воды
в ближайшем к месту выпуска створе реки, используемом
в качестве источника водоснабжения или для культурно-
бытовых целей. Этот створ называется расчетным. Нор-
мативы качества воды назначаются с учетом процессов сме-
шения и самоочишения, протекающих на участке от вы-
пуска сточных вод до расчетного створа.
В зависимости от соотношения расходов реки Q и
срока расстояния до расчетного створа и гидравлических
факторов, таких, как скорость течения, извилистость реки
и т.д„ в процессе смешения участвует определенная часть
расхода реки а (где а — коэффициент смешения). Таким
образом, в результате спуска сточной воды образуется сум-
марный поток (aQ + q) с более высокой концентрацией
загрязнений, чем в воде реки. Процессы самоочищения в
суммарном потоке описываются математически, что позво-
ляет рассчитать допустимую концентрацию загрязнений в
спускаемых сточных водах, при которой процессы само-
очищения обеспечат требуемое количество воды в расчет-
ном створе.
В зависимости от вида водопользования участки водо-
емов делят на две категории.
К первой категории относят водоемы или их участки,
используемые для питьевого водоснабжения. Качество воды в
расчетном створе для водоемов первой категории должно удов-
летворять следующим требованиям: БПК;Юлн — не более
3 мг/л; растворенный кислород в пробе, отобранной до 12 ч
дня, — не менее 4 мг/л; содержание взвешенных веществ не
должно увеличиваться более чем на 0-25 мг/л по сравнению
с концентрацией их в реке до спуска сточной воды.
Ко второй категории относят участки водоемов, исполь-
зуемые для купания и отдыха населения, а также водоемы
в черте населенных пунктов. Для водоемов второй кате-
гории установлены следующие нормативы: БПКполн — не
более 6 мг/л; растворенный кислород — нс менее 4 мг/л;
увеличение взвешенных веществ — не более 0.75 мг/л.
Более высокие требования предъявляются к водоемам,
используемым в рыбохозяйственных целях: БПК1)алн в рас-
четном створе не должна превышать 2 мг/л; концентрация
растворенного кислорода в зимний период должна быть не
ниже 6 мг/л для водоемов, предназначенных для восп-
роизводства и сохранения ценных пород рыб, и не ниже
4 мг/л для водоемов, используемых в других рыбохозяй-
204
ствснных целях; в летний период содержание кислорода в
водоемах обоих- видов должно бьпь не ниже 6 мг/л в пробе,
отобранной до 12 ч дня.
Сточные воды, спускаемые в водоемы всех видов во-
допользования, не должны содержать веществ, способных
оказывать неблагоприятное влияние на водные организмы
или опасных для здоровья людей.
Вопросы для самоконтроля
1 Какие методы применимы для очистки воды от нерастворенных приме-
сей"
2 . Почему для осаждения нерастворенных примесей природной воды не-
обходимо введение коагулянтов?
3 . Какие коагулянты используют при обработке воды? Как они дейст-
вуют?
4 . Какую цель преследует введение в воду флокулянтов?
5 . Дайте характеристику основных флокулянтов, применяемых при обра-
ботке воды.
б . Перечислите, от каких факторов зависит эффективность процесса ко-
агуляции.
7 . Б каких случаях для успешной коагуляции необходимо подще-
лачивание воды? Поясните сущность происходящих процессов
8 . Какие показатели качества природной воды изменяются при обработке
ее коагулянтами?
9 . В каких случаях можно использовать процесс коагуляции для очистки
сточных вод"
10 . Перечислите виды флотационной обработки воды и примеси, удали
смые в процессе флотации
11 . На чем основан процесс флотации примесей*’
12 . Как можно интенсифицировать процесс флотации?
13 - Перечистите виды сорбции и в чем различия между ними
14 . Дайте характеристику активных углей как сорбентов
15 . Как оценивается активность сорбента?
16 Какие примеси можно извлечь с помощью сорбентов?
17 . Для каких целей применяются методы фильтрования, обратного осмо-
са, диализа? В чем их различия?
18 В чем отличия в процессе фильтрования природной воды и
биологически очищенной сточной воды?
19 Что представляют собой иониты?
20 Что такое ионогенныс группы ионитов?
21 . Что понимают под термином "обменная емкость ионита’?
22 Рассчитайте, как изменится солесодержание воды после ее умягчения
методом Na-катионирования, если начальное содержание ионов кальция
180 Мг/л, а остаточная жесткость 1 мг-экв/л.
23 . Какие свойства ьоцы изменяются в процессе Н катионирования?
24 Перечислите цели применения метода ионного обмена для обработки
воды
25 . Какие примеси можно удалить из воды методом химического осаж-
дения?
205
26 Концентрация сульфидов в сточной воде составляет 900 мг/л Кв рас-
чете на S2 1 Рассчитайте теоретическое количество FeSOf, необходимое для
полного осаждения сульфидов-
27 Рассчитайте, какое количество серной кислоты потребляется для ней-
трализации стока с pH - 10
28 Приведите несколмо примеров использования окислителей для
очистки природных и сточных вод. Запишите уравнения реакций.
29 По каким показателям оценивается возможность биологической
очистки сточных вод?
30 Напишите в общем виде уравнения реакции, символизирующие
процесс ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ вод
31 . Из каких химических соединений состоит активный ил? Как записать
в виде формулы соотношение основных органогенов а иле1
32 . Бактерии играют основную роль в окислении органических веществ
сточной воды процессе очистки Простейшие... Закончите ответ
ЗЭ Биоценоз активного ила состоит из... Закончите ответ
34 Чем огли чается состав мимюнаселеии» активном ила от биоценоза
биОПЛСНКИ4
35 Назовите основные физико-химические характеристики
активного ила
36 С какой целью выполняют гидробиологический анализ
активного ила?
37 Какие типы взаимоотношений складываются между различными
видами микроорганизмов в активном иле?
38 В чем отличия экосистем очистных сооружений от природных анало-
гов?
39 Чем отличается аэробный ил от анаэробного'.’
40 В чем достоинства и недостач к и анаэробного окисления загрязнений?
41 Дайте характеристику бактериям, осуществляющим кислую фазу
брожения
42 . Перечислите основные особенности метанообразуюгцих бактерий
43 Как влияет температура сбраживания на санигарно-
микробиологические характерно ики сброженного осадка?
44 Что понимают под обеззара живанмем воды?
45 Назовите методы обеззараживания, применимые как для питьевой,
так и для сточных вод.
4б Перечислите возможные методы хлорирования воды.
47 Что означает понятие "активный хлор"?
48 Перечислите реагенты, содержащие активный хлор.
49 . Объясните механизм действия хлора
50 . Что означают понятия "остаточный свободный хлор" и "остаточный
связанный хлор"’
51 Почему в ГОСТ 2874—82 концентрация остаточного свободного хло-
ра более чем в 2 раза меньше требуемой концентрации оста точного сказанного
хлора’
52 В каких случаях применяют хлорирование с аммонизацией?
53 . Какие преимущества имеет применение озона для обеззараживания?
54 Какие основные сообщества микроорганизмов характерны для повер-
хностных водоемов?
55 Из каких микроорганизмов складывается каждый биоценоз водоема?
56 Как влиякм на водоем рахчичные виды деятельности человека: сброс
сточных вод, строительство плотин, судоходство и т.д.?
206
57 Перечислите источники первичного загрязнения водоемов.
58 Из каких процессов складывается явление самоочищения природных
водоемов* Какие процесс являются определяющими?
59 . Что понимают под гермином "са прочность" микроорганизмов?
60 . Как оценивается степень загрязнения водоема по системе санроб-
ности?
61 . Причины вторичного загрязнения водоемов.
62 Что понимают под "цветением водоема"? Какими микроорганизмами
вызывается этот процесс?
63 . Как регламентирован сброс сточных вод в водоемы?
Список рекомендуемой литературы
!. ГОСТ 2874—82. Вода питьевая
2. ГОСТ 2761 — 84. Источники централизованного хозяйственно-питье-
вого водоснабжения.
3 СНиП 2 04 03—85.
4 Кульский Л А., Накорчевска» В.Ф Химия воды —Киев* Вита школа,
1983. —239 с.
5 Таубе ПР., Баранова А.Г. Химия и микробиология воды — М.: Вы-
сшая школа, 1983 — 278 с.
6. Чурбанова ИН Микробиология — М Высшая школа, 1987. — 239 с
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие...................................3
РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИИ
ВОДЫ
Глава 1. Вода и ее свойства ..................4
Г л а в а 2. Дисперсные системы. Коллоиды . . . . 15
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ МИКРОБИОЛОГИИ
Г л а в а 3. Общие представления
о микроорганизмах ...........................24
Г л а в а 4. Морфологическая характеристика отдель-
ных групп микроорганизмов ...................28
Г л а в а 5. Физиология микроорганизмов .....49
Г л а в а 6. Роль микроорганизмов в превращениях и
круговороте веществ..........................73
РАЗДЕЛ 3. СОСТАВ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД
Г л а в а 7, Общие понятия о примесях и качестве
воды различного происхождения................83
Г л а в а 8. Состав и показатели качества
природ- ных вод ......................... 85
Г л а в а 9. Состав и показатели качества
сточных вод ................................101
Глава 10. Оценка качества воды...........117
РАЗДЕЛ 4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ВОДЫ НА МАТЕРИАЛЫ
Г л а в а 11. Коррозия металлов в водной среде .134
Глава 12. Разрушение бетона и железобетона
под воздействием воды ......................144
Глава 13. Образование отложений
и биологических обрастаний в трубопроводах
и сооружениях...............................149
РАЗДЕЛ 5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРОЦЕССОВ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ
И СТОЧНЫХ вод
Глава 14. Физико-химические процессы.........155
Г л а в а 15. Химические процессы ...........173
Г л а в а 16. Биологические процессы.........179
Глава 17. Процессы обеззараживания воды . . .188
Глава 18 Процессы самоочищения водоемов . .195
Учебное издание
Карюхина Тамара Александровна
Чурбанова Ирина Николаевна
ХИМИЯ ВОДЫ
И МИКРОБИОЛОГИЯ
Редактор М в. Перевалюк
Технический редактор F.H Ненароком
Корректор Т.М. Бочагова
Лицензия № 020441 от 28.02.92
HR No 5088
Подписано R печать 04 11.94 Формат 84 х 108/32. Бумага офсетная
Печать офсет пая. Усл.печ.л. 10.92. Уч.-изд.л. 12,05
Тираж 1000 Изд. № AVI—3287. Заказ 35
Стройиздат. 101442 Москва. Долгоруковская, 23а
Московская типография N9
Комитета Российской Федерации по печати
109033, Москва, ул. Волочаевекая, д 40
УЧЕБНИК ПРЕДНАЗНАЧЕН ДЛЯ УЧАЩИХСЯ
СРЕДНИХ СПЕЦИАЛЬНЫХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕ
НИЙ ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 'ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ОБОРУДОВАНИЯ И СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ
И ВОДООТВЕДЕНИЯ",
ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗДАНИЕ ЯВЛЯЕТСЯ
ТРЕТЬИМ, ПЕРЕРАБОТАННЫМ И ДОПОЛНЕН-
НЫМ В СООТВЕТСТВИИ С НОВЫМИ ТЕХНИЧЕС-
КИМИ РЕШЕНИЯМИ И НОРМАТИВНЫМИ ДОКУ
МЕНТАМИ-