Краткая характеристика природных и сточных вод

Природные и сточные воды представляют собой сложные дисперсные системы. Все примеси воды по отношению к дисперсионной среде можно разделить на четыре группы:

· воды, содержащие нерастворимые в воде мелкодисперсные примеси, взвеси, обусловливающие мутность воды. Степень дисперсности размером – 10^-6–10^-4 м и более. Взвеси образуют глинистые вещества, ил, мелкий песок, малорастворимые гидроксиды металлов, малорастворимые органические вещества и др.;

· сточные воды, содержащие гидрофильные и гидрофобные коллоидные растворы, а также высокомолекулярные вещества и детергенты. Степень дисперсности 10^-8–10^-7 м;

· воды, содержащие растворенные газы и растворимые органические вещества как биологического происхождения, так и входящие в состав промышленных сточных вод. Степень дисперсности – 10^-9-10^-8 м;

· сточные воды, содержащие ионные примеси. Образуют гомогенные растворы. Степень дисперсности – 10^-10-10^-9 м.

Фазово-дисперсная характеристика примесей сточных вод позволяет предложить для каждой группы определенный набор методов очистки сточных вод.

Природные воды и сточные воды химических, нефтехимических, целлюлозно-бумажных производств обычно содержат твердые частицы (волокна, пластмассы, каолин, глину, каучук, кристаллы солей и др.) и жидкие эмульгированные примеси (нефть, нефтепродукты, смолы и т.п.). Поверхность этих частиц может быть гидрофильна или гидрофобна.

Размеры частиц могут изменяться в широких пределах (табл.3.1).

Таблица 3.1

Свойства дисперсной фазы

Примесь	Плотность частиц, г/см3	Диапазон размеров, мкм
Нефтепродукты	0,8-1,1	0,01-0,1
Полистирол	1,02	0,06-0,6
Глина	2,4	0,5-5,0
Гуминовые соединения		0,01-0,001

Чаще всего концентрация мелкодисперсной и коллоидной фазы в сточных водах относительно невелика (0,2–1%), поэтому сточные воды могут быть отнесены к свободнодисперсным коллоидным системам.

Так, в природных водах, подлежащих очистке и использующихся для технических целей и питьевого водоснабжения, концентрация нерастворимых коллоидно-дисперсных и взвешенных веществ (песка, ила, глины и др.) составляет 3-10 г/дм³.

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

Гумусовые соединения представляют собой комплекс органических веществ – продуктов конденсации ароматических соединений фенольного типа с аминокислотами и протеинами – гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумин. Источником ароматических соединений могут быть структурные единицы, освобождающиеся при биохимическом разложении целлюлозы, лигнина и дубильных веществ, а источником азотсодержащих соединений – протоплазма микроорганизмов, участвующих в процессах распада и синтеза органических соединений. Почвенные гумусовые вещества – это специфические высокомолекулярные, полифункциональные, азотсодержащие соединения циклического строения и кислотного характера.

Наличие в структуре молекул гуминовых и фульвокислот карбоксильных и аминных групп придает им свойства амфотерных полиэлектролитов, состояние которых в растворе значительно зависит от рН среды. В слабощелочной среде (рН 7,5–8,5) они образуют ассоциаты под действием ионов жесткости, катионов металлов, размеры которых могут достигать 8–20 нм или агрегаты в форме вытянутых листочков, длина которых составляет 9…10 нм.

Молекулярная масса гуминовых кислот, по данным различных исследований, колеблется в широких пределах – от 290 – 350 до 30 – 50 тыс. Мицеллярные массы ассоциатов гуминовой кислоты в водных растворах – 3700–8200 г/моль. Химический состав гуминовых соединений можно представит следующими брутто-формулами:

C₈₈H₇₁O₃₃N₂, С₇₄Н₅₈О₂₉ N _, С₆₆Н₅₉О₃₀N_4, С₇₈Н₅₈О₃₄N_3.

Общим для этих веществ различного происхождения является наличие ароматического ядра, карбоксильных (-COOH), карбонильных (-СОН) метоксильных (-OCH₃) групп, гидроксилов (-OH) спиртового и фенольного характера и амидогрупп (-CONH₂).

Гуминовые кислоты и фульвокислоты в зависимости от состава воды и величины рН могут образовывать истинные растворы, коллоидные и малорастворимые вещества.

В слабокислой среде недиссоциированные и малорастворимые гумусовые вещества образуют коллоидные системы. В слабощелочной среде – растворимые гуматы и фульваты с ионами щелочных металлов, малорастворимые гуматы кальция.

Дубильные вещества находятся в растениях в виде комплекса веществ, включающих полифенолы, танниды, растворимые и нерастворимые в воде. Несмотря на многообразие химического состава дубильных веществ, общим для них является наличие ароматических колец с двумя или тремя оксигруппами, что дает право считать их производными многоатомных фенолов. Молярная масса дубильных веществ составляет 2000г/моль и выше, они аморфны, легко окисляются с образованием темноокрашенных веществ, содержащих фенолкарбоновые кислоты.

Качественный и дисперсный состав сточных вод разнообразен даже для одного и того же производства и зависит от вида сырья и получаемой продукции.

Так, сточные воды пищевой промышленности содержат в основном белки, углеводы и жиры. В сточных водах сахарных заводов находятся взвешенные примеси сахара, уксусная и пропионовая кислоты, сапонин.Стоки консервной промышленности, молочных заводов, мясокомбинатов, кожевенной промышленности несут огромное количество взвешенных и растворенных веществ органического происхождения.

Специфическими загрязнителями сточных вод текстильных производств являются алифатические и ароматические соединения – этиловый эфир, масляная кислота, амиловый эфир, амиловый спирт, глицерин, ацетон, анилин, бензол, аминокислоты и углеводы, красители.

Количество и качество стоков предприятий по переработке топлива с целью получения специальных продуктов (смол, каменноугольных масел, бензола) и улучшенных видов топлива (кокса, генераторного газа) характеризуются сложным и переменным составом, зависящим от исходного сырья, разнотипности технологических процессов и различных режимов переработки.

Характерная особенность сточных вод термической переработки топлива – присутствие больших количеств фенола (до 7–10 г/л), высокоокрашенных веществ. При газификации бурого угля в сточных водах содержатся пирокатехин, ацетальдегид, ацетон, уксусная, пропионовая, масляная и валерьяновая кислоты, ацетонитрил, этиламин, пропиламин, пиридин, пиколин и др.

Продукты сухой перегонки древесины содержат фенолы и их простые эфиры, кислоты и их производные, спирты, альдегиды, кетоны, фурановые соединения, производные пирана, основания (пиридин и др.), углеводы и углеводороды.

В сточных водах лесохимических предприятий содержатся фенол, метиловый спирт, уксусная кислота, скипидар, кетоны и эфиры, аллиловые масла, формалин. Все сточные воды сухой перегонки дерева имеют интенсивную окраску (от светло-желтой до коричневой) и обладают специфическим запахом (формалина, древесных масел).

Сточные воды гидролизных заводов содержат фурфурол, органические кислоты, сахара. Состав их обусловливается характером сырья. Содержание жирных кислот в таких водах в пересчете на уксусную составляет 1335 мг/л. Стоки имеют интенсивную окраску (до 1200^оЦ), характеризуются высоким содержанием коллоидных и мелкодисперсных примесей.

Сточные воды целлюлозно-химической промышленности весьма разнообразны по составу, так как включают стоки собственно целлюлозных и бумажных предприятий, древесномассных заводов, картонных фабрик и т. д. В стоках целлюлозного производства зафиксировано присутствие маннозы, декстрина, галактозы, свободного фурфурола, следов ванилина, жирных веществ, смол, лигнина, оксикислот, сахаридов. Эти стоки окрашены в коричневый, желтоватый или серовато-коричневый цвет.

Органический состав сточных вод химической промышленности (предприятий, выпускающих красящие вещества, фармацевтические препараты, ядохимикаты, жирные кислоты и моющие средства) и промышленности органического синтеза (прозрачных пленок фенопластов и аминопластов, синтетического каучука и волокон) чрезвычайно разнообразен.

В сточных водах производств органических красителей всегда присутствуют остатки исходных и промежуточных веществ (бензол, анилин, циклические нитросоединения), а также красители. Для них характерна интенсивная окраска.

Сложным составом сточных вод характеризуются производства синтетического каучука. В промышленных стоках производства натрийбута-диенового каучука находится разнообразный комплекс предельных и непредельных соединений жирного ряда: предельные одноатомные спирты, простые эфиры, альдегиды, дивинил и другие углеводороды, димеры дивинила, полидиены.

В стоках производства дивинилстирольного каучука наряду с комплексом соединений, присутствующих в стоках дивинильных цехов, содержатся этилбензол, бензол, стирол, толуол, некаль, частички смол, латекса и мельчайшая «крошка» готового каучука.

Большое количество сточных вод образуется при добыче нефти, при ее переработке, транспортировке и хранении нефти и нефтепродуктов. Количество нефти в пластовых водах достигает 1,5–3,0 г/л. В буровых водах количество нафтеновых кислот в среднем составляет 190 мг/л.

Основная масса сточных вод нефтеперерабатывающих заводов содержит нефть и нефтепродукты как в растворимом так и в коллоидном состоянии, в виде эмульсий, всплывающей пленки.

Проведенный краткий обзор химического и дисперсного состава природных и сточных вод показывает, что, как правило, они являются агрегативно устойчивыми дисперсными системами, содержат растворимые органические и неорганические примеси, коллоидные и взвешенные вещества, поэтому для их очистки используются различные физико-химические и биохимические методы, выбор которых будет определяться главным образом составом сточной воды.