Открытые водоемы почти непрерывно подвергаются разнообразным загрязнениям. Однако в крупных водоемах резкого ухудшения качества воды не наблюдается. Это объясняется тем, что реки, озера, водохранилища под влиянием многообразных физико-химических и биологических процессов обладают способностью самоочищаться от взвешенных частиц, органических веществ, микроорганизмов и других загрязнений.
Процесс самоочищения открытых водоемов протекает под влиянием разнообразных факторов, которые действуют одновременно в различных сочетаниях.
К числу таких факторов относятся: гидрологические - разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды; механические - осаждение взвешенных частиц; физические - влияние солнечной радиации и температуры; биологические - сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; химические - превращение органических веществ в минеральные (минерализация).
В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате обеднения воды питательными веществами, бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на
- м, влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофи- тами, неблагоприятных температурных условий, антагонистического воздействия водных организмов и других факторов. Процессы самоочищения воды протекают более интенсивно в теплое время года, а также в проточных водоемах - реках. Малопроточные водоемы (пруды, озера, водохранилища) самоочищению подвергаются значительно меньше, так как в них замедлен ток воды, а взвешенные частицы оседают на дно, в результате чего происходит заиливание водоема и ухудшение качества воды.
При сильном загрязнении водоемов бытовыми промышленными сточными водами процессы самоочищения обычно замедляются и даже полностью прекращаются. Промышленные сточные воды вносят в водоем значительные количества различных химических веществ, которые ухудшают органолептические свойства воды и придают ей неприятный привкус, запах (хлорбензол, дихлорэтан, стирол, нефть и др.), а также влияют на биологические и химические процессы самоочищения воды (ацетон, метанол, этилен- гликоль и др.).
Существенное значение в процессах самоочищения воды имеют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели этих микробов.
Наибольшим антимикробным действием характеризуются простейшие. Пожиратели микробов - бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на патогенные, болезнетворные микроорганизмы.
Под влиянием естественных факторов открытые водоемы (реки, озера и водохранилища), как и почва, обладают способностью освобождаться от попавших в них загрязнений. В реках для самоочищения необходим пробег воды не менее 15 км от места загрязнения при условии отсутствия новых загрязнений на пути течения воды. Быстрота самоочищения зависит от многоводности, скорости течения воды и ветра, способствующих перемешиванию воды в водоеме. В озерах и водохранилищах вода очищается тем интенсивнее, чем больше по объему сами источники. В мелких водоемах процессы самоочищения выражены крайне слабо.
Самоочищение воды происходит в результате механических, физико-химических и биологических процессов. При этом поступившие загрязнения разбавляются водой водоема, взвешенные в воде вещества постепенно осаждаются на дно, а органические вещества подвергаются окислению за счет растворенного в воде кислорода. При этом аэробные процессы происходят преимущественно в верхних слоях водоема, а анаэробные - на дне
Рис. 6
водоема, куда кислород воздуха не поступает. В итоге этих процессов органические вещества, распадаясь на менее сложные, постепенно минерализуются.
Процесс минерализации органических веществ в воде и конечные продукты расщепления белкового субстрата показаны на рис. 6.
Процессам самоочищения воды способствуют также питающиеся бактериями простейшие, коловратки, рачки, моллюски и некоторые растительные организмы, которые питаются органическими веществами. С санитарной точки зрения самоочищение воды весьма полезное явление в природе. Однако этот процесс у открытых водоемов небезграничен - при сильном и постоянном загрязнении самоочищение воды становится недостаточным. Это часто наблюдается при бесконтрольном выпуске хозяйственно-фекальных и промышленных сточных вод в водоемы, что вызывает значительное скопление гниющего ила, появление токсических химических соединений, развитие полисапробной флоры и массовый мор рыбы.
В практической работе возникает необходимость определить давность загрязнения водоисточников органическими отбросами. Для этого можно пользоваться следующей шкалой:
Если в воде обнаруживается только аммиак органического происхождения, то это свидетельствует о свежем загрязнении (чаще мочой или калом). Органическое происхождение аммиака подтверждается наличием в воде одновременно таких важных показателей, как низкий коли-титр, повышенная ее окисляемость и общая жесткость.
При обнаружении в воде, помимо аммиака, хлоридов указывает на то, что загрязнение водоема произошло сравнительно недавно, потому что хлориды обычно появляются при разрушении белковых веществ вслед за аммиаком.
Наличие в одной и той же пробе воды аммиака, хлоридов и азотистой кислоты (нитритов) дает основание считать, что процесс разложения органических веществ находится в разгаре.
Появление в воде помимо аммиака, хлоридов, азотистой кислоты, еще и солей азотной кислоты (нитратов) свидетельствует о том, что от момента загрязнения прошел значительный период времени, но имеет место свежее загрязнение.
Наличие в воде хлоридов, азотной и азотистой кислот указывает на то, что свежего загрязнения нет, а продолжается процесс минерализации органических веществ.
Если с момента загрязнения воды органическими веществами прошел длительный срок, то в ней могут быть обнаружены только азотистая и азотная кислоты. Наличие в воде только солей азотной кислоты говорит о том, что процесс минерализации закончился полностью и воду можно использовать для поения животных.
4.8.
МЕТОДЫ ОЧИСТКИ И ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
Вода, используемая в сельскохозяйственных предприятиях и фермерских хозяйствах, может оказаться не отвечающей некоторым требованиям СанПиН
- 1074-901, утвержденным Главным государственным санитарным врачом РФ
- г., для централизованного водоснабжения, и СанПиН 2.1.4. 1176-02, утвержденным Главным санитарным врачом РФ 26.11.2002 г., для нейтрализованного водоснабжения, а также ветеринарно-санитарным и гигиеническим нормативам.
Мероприятия по улучшению органолептических свойств воды. В практике водоснабжения животноводческих ферм и фермерских хозяйств среди мер, направленных на улучшение качества воды, очистки ее от различных примесей, применяют отстаивание, коагуляцию и фильтрацию.
Отстаивание - водой заполняют специальные закрытые подземные емкости (чаще железобетонные бассейны) на 4-8 часов. За это время грубые взвешенные частицы и часть микроорганизмов (до 60-70%) оседают на дно резервуара, и вода становится прозрачной.
В условиях сельскохозяйственного производства воду отстаивать можно и в открытых водоемах, водохранилищах, запрудах, если они хорошо охраняются от загрязнения.
Коагулирование воды и осаждение взвесей - это реагентный метод улучшения качества воды с помощью специальных веществ - коагулянтов. Наиболее часто применяют неочищенный сернокислый алюминий Л12(804 18Н20), содержащий 33% безводного сернокислого алюминия, до 23% нерастворимых примесей. В настоящее время изготовляют очищенный глинозем, содержащий не более 1% нерастворимых примесей. Для коагуляции используют также железный купорос (Ре804-7И20), который образует в воде гидрозакись железа, хлорное железо (БеС12), хорошо растворимое в воде и образующее крупные быстро оседающие хлопья гидроокиси железа, алюминат натрия (КаЛ102). Более высокие результаты осаждения получаются при одновременном использовании хлорного железа в смеси с сернокислым алюминием и известью. Процессы обработки воды с применением реагентов протекают более интенсивно и сопровождаются более высокой эффективностью. Если для осаждения массы взвешенных веществ реа- гентным методом необходимо 2-4 часа, то безреагентный метод может потребовать несколько суток. Дозу коагулянта определяют в зависимости от мутности воды от 30 до 200 мг/л. Добавляют его в виде порошка или в виде 2-5%-ного водного раствора.
Учитывая недостаточный эффект обработки воды минеральными коагулянтами, в последнее время начали использовать флокулянты - активированную кремниевую кислоту, полиакриламид (ПАА) и др.
Фильтры и фильтрация воды. Кроме очистки воды от механических примесей, с помощью фильтров получают прозрачную, бесцветную воду, количество микроорганизмов в ней уменьшается на 60-95%, а кишечных палочек - на 9099%.
По характеру (виду) фильтрующей основы фильтры подразделяют на сетчатые (микрофильтры, микросита), каркасные или намывные и наиболее распространенные зернистые (песчаные, антрацитовые). Размеры частиц фильтрующего материала, а также толщина слоя позволяют зернистые фильтры подразделить на медленные (0,1-0,3 м/ч), скорые (512 м/ч) и сверхскоростные (36-100 м/ч).
Все виды кондиционирования чаще всего касаются нормализации минерального состава воды. Делят их на две группы: 1) удаление из воды избыточных количеств солей и газов - умягчение, обес- соливание и опреснение, обезжелезивание, обесфторивание, удаление марганца, кремниевой кислоты, дегазация и др.; 2) добавление к воде специальных солей с целью улучшения органолептических свойств воды или повышения содержания в ней микроэлементов (фтор и пр.). К более распространенным методам улучшения качества питьевой воды относятся следующие. Метод ионного обмена, который основан на пропускании воды через ионитные фильтры (аниониты и катиониты), установки из специальных нерастворимых зернистых материалов (ионообменные смолы), обладающие свойством обмениваться входящими в их состав ионами на ионы, содержащиеся в фильтруемой воде. Умягчение воды - полное или частичное удаление из воды катионов кальция и магния. Последнего достигают как реагентным методом ионного
обмена, так и термическим. Фторирование воды применяют в отдельных зонах (биогеохимических провинциях) нашей страны, где отмечают недостаток микроэлемента фтора. Данный метод предложен с целью уменьшения заболеваемости кариеса зубов. При повышенном содержании фтора делают дефторирование воды с помощью гидроокиси алюминия или магния или трикальцийфосфата, осаждающих фтор.
При малейшем подозрении на инфицирование воды ее необходимо тщательно проверить и, если нужно, обеззаразить. Все виды обеззараживания воды делят на две группы: реагентные и без- реагентные.
Реагентные методы обеззараживания воды. Из этих методов наиболее распространенным считается хлорирование питьевой воды. Проводится оно с помощью газообразного хлора, гипохлоритов и хлорной извести. Бактерицидное действие указанных веществ принадлежит хлорноватистой кислоте (НОС1 и ее гипохлорит- ному иону (ОСГ), который в водной среде может образовывать НОС1. Кислота проникает через оболочку бактериальной клетки и нарушает функцию ферментов, катализирующих окислительно-восстановительные процессы, обеспечивающие данную клетку энергией. Процесс образования бактерицидно действующих соединений хлора при использовании его в разных видах можно видеть из следующих реакций: при растворении хлора в воде происходит реакция С12 + Н20 = НОС1 + Н* + + СГ, гидролиз хлора дает 99,9% НОС1 при 0°С и 99,97% при 25°С.
В производственных условиях для хлорирования воды нередко применяют хлорную известь с содержанием активного хлора от 35 до 39%. Так как в процессе хранения активность хлорной извести может снижаться, то перед использованием необходимо определять в ней наличие активного хлора. 
На водопроводных станциях хлорирование осуществляется газообразным способом с помощью специальных аппаратов - хлораторов (рис. 7).
При хлорировании воды систематически контролируется эффективность обеззараживания. Для этого в хлорируемой воде в течение суток ежечасно определяют остаточный хлор и ежесуточно - титр кишечной палочки. Последний в хлорированной воде должен быть не менее 300 мл. Доза хлора зависит от состояния заражения воды. Она считается достаточной, если в воде после хлорирования будет содержаться не более 0,4 мг/л, но не менее 0,2 мг/л.
В процессе обеззараживания воды следует иметь в виду, что действие хлора достигается только в том случае, если достаточно точно в лаборатории определена доза хлорпоглощаемости или хлорпотребности воды. В случае опасного заражения воды ее обрабатывают большими дозами хлора суперхлорирование, а избыточную
дозу хлора устраняют дехлорированием. Последнее чаще всего осуществляют после соответствующих расчетов 0,5%-ными растворами серноватистокислого (гипосульфита) или сернокислого натрия.
Кроме хлорирования из реагентных способов обеззараживания воды приме
няют также обеззараживание ее с помощью озона, йода и ионов серебра.
Безреагентные методы обеззараживания воды включают ультрафиолетовое облучение, обработку ультразвуком, гамма-излучением и др. У Ф-обл учение обеспечивает надежное обеззараживание воды, которое достигается биологически активной частью ультрафиолетового спектра. Многими исследованиями установлено, что наиболее активным воздействием на бактерии обладают лучи с длиной волны 295-200 миллимикрон.
Для обеззараживания воды с помощью УФ-лучей используют ртутно-кварцевые лампы высокого давления марок типа ПРК (прямые ртутно-кварцевые), БУВ-60.
Обеззараживание воды ультразвуком основано на бактерицидном действии этого физического фактора путем механического разрушения бактерий в ультразвуковом поле. Что касается обеззараживающего действия гамма-излучений, то, как сообщает С. Н. Черкинский (1974), при соответствующей мощности дозы микро организмы погибают весьма быстро. Од нако этот способ требует особых условий
К числу безреагентных методов обез зараживания воды относят и кипячение Это простой и весьма надежный метод позволяющий обезвреживать небольшое количество воды. 
б 7
Поступающие в водоем загрязнения вызывают в нем нарушение естественного равновесия. Способность водоема противостоять этому нарушению, освобождаться от вносимых загрязнений и составляет сущность процесса самоочищения.
Самоочищение водных систем обусловлено многими природными, а иногда и техногенными факторами. К числу таких факторов относятся различные гидрологические, гидрохимические и гидробиологические процессы. Условно можно выделить три типа самоочищения: физическое, химическое, биологическое.
Среди физических процессов первостепенное значение имеет разбавление (перемешивание). Хорошее перемешивание и снижение концентрации взвешенных частиц обеспечивается интенсивным течением рек. Способствует самоочищению водоемов отстаивание загрязненных вод и оседание на дно нерастворимых осадков, сорбция загрязняющих веществ взвешенными частицами и донными отложениями. Для летучих веществ важным процессом является испарение.
Среди химическим факторов самоочищения водоемов главную роль играет окисление органических и неорганических веществ. Окисление происходит в воде при участии растворенного в ней кислорода, поэтому чем выше его содержание, тем быстрее и лучше протекает процесс минерализации органических остатков и самоочищения водоема. При сильном загрязнении водоема запасы растворенного кислорода быстро расходуются, а накопление его за счет физических процессов газообмена с атмосферой протекает медленно, отчего самоочищение замедляется. Самоочищение воды может происходить и вследствие некоторых других реакций, при которых образуются трудно растворимые, летучие или нетоксичные вещества, например, гидролиза пестицидов, реакции нейтрализации и др. Содержащиеся в природной воде карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния нейтрализуют кислоты, а растворенная в воде угольная кислота нейтрализует щелочи.
Под влиянием ультрафиолетового излучения солнца в поверхностных слоях водоема происходит фоторазложение некоторых химических веществ, например ДДТ, и обеззараживание воды – гибель патогенных бактерий. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется их влиянием на протоплазму и ферменты микробных клеток, что вызывает их гибель. Ультрафиолетовые лучи оказывают губительное воздействие на вегетативные формы бактерий, споры грибов, цисты простейших, вирусы.
Каждый водоем – это сложная живая система, где обитают бактерии, водоросли, высшие водные растения, различные беспозвоночные животные. Процессы метаболизма, биоконцентрирования, биодеградации приводят к изменению концентрации загрязняющих веществ. К биологическим факторам самоочищения водоема относятся также водоросли, плесневые и дрожжевые грибки, однако в отдельных случаях массовое развитие сине-зеленых водорослей в искусственных водоемах можно рассматривать как процесс самозагрязнения. Самоочищению водоемов от бактерий и вирусов могут способствовать и представители животного мира. Так, устрицы и некоторые амебы адсорбируют кишечные и другие вирусы. Каждый моллюск профильтровывает в сутки более 30 литров воды. Тростник обыкновенный, рогоз узколистный, камыш озерный и другие макрофиты способны поглощать из воды не только относительно инертные соединения, но и физиологически активные вещества типа фенолов, ядовитые соли тяжелых металлов.
Процесс биологической очистки воды связан с содержанием в ней кислорода. При достаточном количестве кислорода проявляется активность аэробных микроорганизмов, которые питаются органическими веществами. При расщеплении органических веществ образуются углекислый газ и вода, а также нитраты, сульфаты, фосфаты. Биологическое самоочищение представляет собой основное звено процесса и рассматривается как одно из проявлений биотического круговорота в водоеме.
Вклад отдельных процессов в способность природной водной среды к самоочищению зависит от природы загрязняющего вещества. Для так называемых консервативных веществ, которые не разлагаются или разлагаются очень медленно (ионы металлов, минеральные соли, персистентные хлорорганические пестициды, радионуклиды и т.д.), самоочищение имеет кажущийся характер, поскольку происходит лишь перераспределение и рассеивание загрязняющего вещества в окружающей среде, загрязнение им сопредельных объектов. Снижение их концентрации в воде происходит за счет разбавления, выноса, сорбции, бионакопления. В отношении биогенных веществ наиболее важны биохимические процессы. Для водорастворимых веществ, не вовлекаемых в биологический круговорот, важны реакции их химической и микробиологической трансформации.
Для большинства органических соединений и некоторых неорганических веществ микробиологическая трансформация считается одним из основных путей самоочищения природной водной среды. Микробиологические биохимические процессы включают реакции нескольких типов. Это реакции с участием окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов (оксидаз, оксигеназ, дегидрогеназ, гидролаз и др.). Биохимическое самоочищение водных объектов зависит от множества факторов, среди которых наиболее важные – температура, активная реакция среды (рН) и содержание азота и фосфора. Оптимальная температура для протекания процессов биодеградации составляет 25-30ºС. Большое значение для жизнедеятельности микроорганизмов имеет реакция среды, которая влияет на ход ферментативных процессов в клетке, а также на изменение степени проникновения в клетку питательных веществ. Для большинства бактерий благоприятна нейтральная или слабощелочная реакция среды. При рН <6 развитие и жизнедеятельность микробов чаще всего снижается, при рН <4 в некоторых случаях их жизнедеятельность прекращается. То же самое наблюдается при повышении щелочности среды до рН>9,5.
О загрязнение и о дефиците питьевой воды на планете написано достаточно. В одной из самых богатых водными ресурсами стран, России, только один процент исходной воды поверхностных источников питьевого водоснабжения соответствует нормативам качества. В Карелии, стране рек и озер, где обеспеченность водными ресурсами превосходит среднероссийские показатели в 2-3 раза, - около 70% проб воды, поступающей в разводящие сети населенных пунктов, не отвечают гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде. Во многом это объясняется интенсивной техногенной и агропромышленной деятельностью, направленной, прежде всего на удовлетворение сиюминутных потребностей человечества и недостаточным вниманием к сбережению водных ресурсов для последующих поколений. Но не только, «благодаря» этому природная вода, которая жизненно необходима человечеству находится в состоянии, близком к критическому.
Природная вода получается загрязнения из самых различных сфер. Источники загрязнения водных объектов чрезвычайно многообразны. Прежде всего, это стоки городов и промышленных предприятий. Наиболее водоемкие отрасли промышленности – это горнодобывающая, сталелитейная, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная и пищевая. На них уходит до 70 % всей воды, затрачиваемой в промышленности. Также огромное количество воды для охлаждения используют тепловые и атомные электростанции, сбрасываемая вода приводит к тепловому загрязнению водоемов, что нарушает термический, гидрохимический и гидробиологический режимы водных объектов.
В последние годы в ряде районов с ними "конкурируют" стоки животноводческих комплексов и воды, поступающие с ирригационных массивов и богарных земель. На нужды сельского хозяйства уходит 60-80% всей пресной воды. Во многих регионах мира загрязнение вод все больше связывается с атмосферными осадками. Определенную роль в ухудшении качества воды играет изменение режима рек и озер.
В связи с огромной проблемой загрязнения природных вод существуют разные методы и способы очистки воды. Но несмотря на это одним из наиболее ценных свойств природных вод является их способность к самоочищению.
Самоочищение вод - это восстановление их природных свойств в реках, озерах и других водных объектах, происходящее естественным путем в результате протекания взаимосвязанных физико-химических, биохимических и других процессов (турбулентная диффузия, окисление, сорбция, адсорбция и т.д.). Способность рек и озер к самоочищению находится в тесной зависимости от многих природных факторов. К числу таких факторов следует отнести: биологические - сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; гидрологические - разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды; физические - влияние солнечной радиации и температуры; механические - осаждение взвешенных частиц; химические - превращение органических веществ в минеральные (т. е. минерализация).
При поступлении сточных вод в водоем происходят смешивание стоков с водой водоема и снижение концентрации загрязнений. Полная смена воды в реках занимает в среднем 16 сут., болотах – 5сут., озерах - 17 лет. Разница во времени связана с разными сроками полного водообмена в разных водотоках и водоемах.
Наиболее интенсивно самоочищение воды в водоемах и водотоках осуществляется в теплый период года, когда биологическая активность в водных экосистемах наибольшая. Быстрее самоочищение протекает на реках с быстрым течением. Большая часть взвешенных загрязнений осаждается, это взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы, благодаря этому, вода осветляется и становится прозрачной.
Уменьшение концентрации загрязняющих водные объекты неорганических веществ происходит путем нейтрализации кислот и щелочей за счет естественной буферности природных вод, образования труднорастворимых соединений, гидролиза, сорбции и осаждения. Концентрация органических веществ и их токсичность снижаются вследствие химического и биохимического окисления.
Одним из важных процессов самоочищения воды является минерализация органических веществ, т. е. образование минеральных веществ из органических под воздействием биологических, химических и других факторов. При минерализации в воде снижается количество органических веществ, наряду с этим может окисляться и органическое вещество микробов, а следовательно, часть бактерий гибнет.
В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате обеднения воды питательными веществами; бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на 1 м; влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами; неблагоприятных температурных условий; антагонистического воздействия водных организмов и других факторов. Существенную роль в процессах самоочищения воды играют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели последних. Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на болезнетворные организмы.
Самоочищение подземных вод происходит благодаря фильтрации через почву и за счет процессов минерализации.
Необходимо помнить, что способность водоемов к самоочищению ограничена. Замедлить процессы самоочищения воды и ухудшить ее органолептические свойства могут соединения свинца, меди, цинка, ртути, которые могут попасть в водоемы со стоками, оказывая токсическое действие на организм животных.
Большое значение имеет распространение водной растительности (густые заросли тростника, камыша и рогоза вдоль берегов), которая выполняет в них роль своеобразного биофильтра. Высокую очищающую способность водных растений широко используют на многих промышленных предприятиях, как в нашей стране, так и за рубежом. Для этого создают разнообразные искусственные отстойники, в которых сажают озерную и болотную растительность, хорошо очищающую загрязненные воды.
В последние годы получила распространение искусственная аэрация - один из эффективных способов очищения загрязненных вод, когда процесс самоочищения резко сокращается при дефиците растворенного в воде кислорода. Хорошая аэрация воды обеспечивает активизацию окислительных, биологических и других процессов, способствуя очищению воды. Для этого специальные аэраторы устанавливают в водоемах и водотоках или на станциях аэрации перед сбросом загрязненных вод.
Список литературы
1. Авакян А.Б., Широков В.М. Комплексное использование и охрана водных ресурсов: Учеб. пособие. - Мн.: Ун-кое, 1999 г.;
2. Бернард Небел "Наука об окружающей среде" (В 2-ух томах), "МИР" М. 1993г.;
3. Беличенко Ю.П., Швецов М.Н. Рациональное использование и охрана водных ресурсов. - М.: Россельхозиздат, 2006г
Самоочищение воды
Открытые водоемы почти непрерывно подвергаются различным загряз нениям. Однако в крупных водоемах не наблюдается резкого ухудшения качества воды. Это объясняется тем, что вода рек, озер под влиянием различных физико-химических и биологических процессов обладает способностью самоочищаться.
Процесс самоочищения открытых водоемов протекает под влиянием разнообразных факторов, действующих одновременно в различных сочетаниях. К числу таких факторов следует отнести: гидрологические -- разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды; механические -- осаждение взвешенных частиц; физические -- влияние солнечной радиации и температуры; биологические -- сложные процессы взаимодействия водных растительных и микроорганизмов с составными частями поступающих стоков; химические -- превращение органических веществ в минеральные (минерализация).
В процессе самоочищения в воде отмирают сапрофиты и патогенные микроорганизмы в результате обеднения воды питательными веществами, бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей, проникающих в толщу воды более чем на 1 м, влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами, неблагоприятных температурных условий, антагонистического воздействия водных организмов и других факторов. Более интенсивно эти процессы протекают в теплое время года, а также в проточных водоемах, реках.
Существенное влияние на процессы самоочищения воды оказывает сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, вызывая их гибель.
Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают отрицательное воздействие на болезнетворные организмы.
Один из важных процессов самоочищения воды -- минерализация органических веществ, т. е. их разложение, окисление. Хорошая аэрация воды (обогащение ее кислородом) обеспечивает активизацию окислительных, биологических и других процессов, способствует самоочищению. Скорость последней зависит от многих условий: количества загрязнений, поступивших в водоем, его глубины и скорости течения воды; температуры, содержания растворенного кислорода, состава микрофауны и флоры воды и т. д. Однако следует иметь в виду, что водоем обладает определенной способностью к самоочищению от загрязнений, но она не безгранична.
Самоочищение подземных вод происходит благодаря фильтрации через почву и за счет процессов минерализации, в результате вода полностью освобождается от органических загрязнений и микроорганизмов.
Очистка и обеззараживание воды
Очистка воды проводится на соответствующих сооружениях и направлена на улучшение ее органолёптических, физических, несколько меньше -- химических и еще меньше -- биологических (наличие микроорганизмов) свойств. Очистка воды включает ее осветление и обесцвечивание с помощью коагуляции, отстаивания и фильтрации.
Коагулирование -- процесс укрупнения мельчайших коллоидных и взвешенных частиц, образования хлопьев. Различают два типа коагуляции: в свободном объеме (в камерах) толщи зернистого материала или в массе взвешенного осадка (контактно). При осветлении и обесцвечивании воды коагулирование осуществляют для интенсификации процессов осаждения и фильтрования. При этом из воды выделяются не только диспергированные примеси, но и вещества, находящиеся в коллоидном состоянии.
Из коагулянтов обычно применяют сернокислый алюминий. Доза его может быть различной в зависимости от рН воды, содержания бикарбонатов, гуминовых веществ, характера взвеси, мутности, цветности и колеблется от 30 до 200-300 мг на 1 л воды. Коагулянт добавляют в воду в виде порошка или 2-5% -го водного раствора.
Для ускорения процесса коагуляции мягкую воду, которая содержит мало бикарбонатов кальция, следует подщелачивать гашеной известью Са(ОН) 2 или содой. Для этого также применяют высокомолекулярные вещества -- флокулянты. Так, процесс коагуляции ускоряется после введения полиакриламида (ПАА) в дозе 0,5-1 мг на 1 л воды.
Отстаивание -- осветление воды путем осаждения взвешенных примесей. Для этого воду пропускают с малой скоростью через специальные отстойники. Они могут быть естественными (озера) и искусственными (горизонтальными, вертикальными и радиальными).
Горизонтальные отстойники -- прямоугольные железобетонные резервуары, в которых вода движется от одного торца к другому. Вертикальные отстойники -- круглые или квадратные железобетонные резервуары, вода в них движется снизу вверх, взвеси осаждаются при восходящем потоке воды.
Радиальные отстойники -- круглые железобетонные неглубокие резервуары, скорость движения воды в них изменяется от максимального значения в центре до минимального у периферии. При этом вода проходит через специальные распределительные устройства, движется в радиальном направлении к периферийному сборному желобу и отводится по трубам. Осадок удаляется при помощи вращающейся фермы со скребками, которые сгребают осадок к приямку в центре отстойника, откуда он удаляется по трубе.
Осветляют воду в специальных сооружениях -- осветлителях различного типа. После коагуляции, отстаивания и осветления в воде могут оставаться мелкие хлопья, не осевшие в отстойниках, и мелкие взвешенные частицы. Для дальнейшей очистки воду фильтруют в специальных установках -- фильтрах.
При местном водоснабжении для обеспечения ферм чистой водой чаще применяют медленные фильтры. Это открытые или подземные резервуары из водонепроницаемого материала. На дно резервуара последовательно укладывают булыжник или щебень, крупный гравий в слой крупного песка. Самый верхний слой -- из мелкого песка. Толщина подстилающего слоя (булыжник и гравий) -- 0,6-0,9 м, а фильтрующего (песок) -- 0,8-1,2 м. Для стока профильтрованной воды на две резервуара прокладывают каналы из кирпича или гончарных труб.
В процессе фильтрации на поверхности фильтра образуется так называемая биологическая пленка, состоящая из мелких взвешенных частиц (планктона и бактерий).
С течением времени биологическая пленка уплотняется и увеличивается сопротивление фильтра. Поэтому его периодически очищают. Для этого один раз в 1,5-2 месяца вручную (скребками) снимают 2-3 см верхнего слоя песка и на некоторое время выключают фильтр из работы, затем, после образования новой плевки, фильтрат направляют в сборники для чистой воды.
После отстаивания, коагуляции и фильтрования вода становится прозрачной, бесцветной и освобождается от яиц гельминтов и на 20-25% от содержащихся в ней микробов. Поэтому питьевую воду, которая представляет опасность как источник инфекции, необходимо обеззаразить.
Обеззараживают воду одним из четырех методов: термическим; при помощи сильных окислителей; олигодинамией (воздействием микробов благородных металлов); физическим (ультразвук, радиоактивное облучение, ультрафиолетовые лучи). Наиболее широко в качестве обеззараживающих веществ применяют окислители: хлор, озон, гипохлорит натрия.
На крупных водопроводных станциях воду хлорируют жидким (газообразным) хлором, а на малых -- хлорной известью. Под действием хлора большинство микроорганизмов, находящихся в воде, погибает. Газообразный хлор на станции поступает в специальных стальных баллонах под давлением до 0,8 МПа. Из баллонов хлор подается в хлораторы, в которых он смешивается с некоторым количеством питьевой воды. При этом необходимо учитывать содержание в ней активного хлора (оно должно быть не менее 25%). Раствор хлорной извести применяют в 1-2%-й концентрации, время контакта воды в растворе -- не менее 45-60 мин. Для надежного обеззараживания воды достаточно 1-3 мг хлора на 1 л.
В воде, используемой для поения животных, остаточного свободного хлора должно быть не менее 0,3 мг на 1 л. и не более 0,5 мг на 1 л. Если хлорирование воды проведено большими дозами извести, то для устранения ее излишков (о чем свидетельствует запах хлора) необходимо дехлорировать 0,5%-м раствором тиосульфата натрия (гипосульфит) или сернокислым натрием.
В колодцах воду хлорируют с помощью дозирующих патронов, изготовленных из пористой керамики. Емкость патрона 0,25, 0,5 и 1 л, в него помещают соответственно 150, 300 и 600 г хлорной извести и добавляют 100-300 мл воды. Содержимое патрона перемешивают до образования однородной массы, закрывают пробкой и погружают на 20-30 суток в воду на расстоянии 20-50 см от дна.
Для обеззараживания воды ультрафиолетовыми бактерицидными лучами используют следующие лампы: ДРТ-10000, ДБ-60, РКС-2,5 и установками ОВ-ЗН, ОВ-Ш-РКС, ОВ-АКХ-1, ОВ-ЗП-РКС, ОВ-РК-РКС. Для сельскохозяйственного водоснабжения сконструированы установки ОВУ-6П и УОВ-5Н.
Интереснейшими явлениями природы являются способность водоемов к самоочищению и установление в них так называемого биологического равновесия. Оно обеспечивается совокупной деятельностью населяющих их организмов: бактерий, водорослей и высших водных растений, различных беспозвоночных животных. Поэтому одна из важнейших природоохранительных задач состоит в том, чтобы поддерживать эту способность.
Каждый водоем -- это сложная живая система, где обитают растения, специфические организмы, в том числе и микроорганизмы, которые постоянно размножаются и отмирают. Если в водоем попадают бактерии или химические примеси, то в условиях девственной природы процесс самоочищения протекает быстро и вода восстанавливает свою первозданную чистоту. Факторы самоочищения водоемов многочисленны и многообразны. Условно их можно разделить на три группы: физические, химические и биологические. Важным физическим фактором самоочищения водоемов является ультрафиолетовое излучение солнца. Под влиянием этого излучения происходит обеззараживание воды. Эффект обеззараживания основан на прямом губительном воздействии ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Ультрафиолетовое излучение может воздействовать не только на обычные бактерии, но и на споровые организмы и вирусы.
Из химических факторов самоочищения водоемов следует отметить окисление органических и неорганических веществ. Часто дают оценку самоочищения водоема по отношению к легко окисляемому органическому веществу (определяемому по биохимической потребности кислорода -- ВПК) или по общему содержанию органических веществ (определяемому по химическому потреблению кислорода -- ХПК.
В процессе самоочищения водоема участвуют водоросли, плесневые и дрожжевые грибки. Двустворчатые моллюски -- постоянные обитатели водоемов -- являются санитарами рек. Пропуская через себя воду, они отфильтровывают взвешенные частицы. Мельчайшие животные и растения, а также органические остатки поступают в пищеварительную систему, несъедобные вещества оседают на слое слизи, покрывающем поверхность мантии двустворчатых. Слизь по мере загрязнения перемещается к концу раковины и выбрасывается в воду. Комочки ее представляют собой комплексный концентрат для питания микроорганизмов. Они и завершают цепь биологической очистки вод.
Самоочищающая способность реки зависит от многих природных факторов: объема речного стока, скорости потоков, химического состава воды, ее температуры и т. д. Учесть их все при прогнозировании оптимальных санитарных попусков очень трудно.
Действующие санитарные нормы требуют предельно минимального содержания загрязнений в очищенных сточных водах, сбрасываемых в водоемы. Однако во многих случаях глубокая очистка стоков в соответствии с этими нормами стоит значительно дороже, чем разбавление сточных вод, прошедших менее глубокую очистку, речной водой. Для интенсификации самоочищения рек возможно применение искусственной аэрации, которая очень эффективна, но пока еще не получила широкого распространения.
Процесс смешения и разбавления сточных вод в реках, озерах и водохранилищах. При определении степени смешения нельзя принимать в расчет весь расход реки, так как вблизи места выпуска достаточно полного смешения еще нет -- оно происходит на некотором расстоянии от места выпуска.
Для учета расхода реки, участвующего в смешении, т. е. процессов разбавления, вводят коэффициент смешения а, показывающий, какая часть расхода реки смешивается со сточной водой в данном створе.
Наиболее полная оценка физических процессов, происходящих в водоеме, может быть получена только гидравлическим моделированием.
Для создания наилучших условий разбавления при конструировании выпуска надлежит учитывать следующие положения:
- а) расположение выпуска должно быть в области устойчивых течений; не рекомендуется устраивать выпускное сооружение в небольших заливах, затонах и районах устойчивых циркуляционных течений;
- б) для создания наилучших условий подхода окружающей жидкости к выходящим из оголовков струям выпускные отверстия должны быть расположены над дном водоема на высоте не менее 1 м;
- в) направление выпуска сточных вод в плане должно соответствовать направлению наиболее устойчивых течений;
- г) ось выходящей из выпуска струи должна направляться под углом к горизонту, определяемым расчетом в зависимости от относительной глубины
Порядок расчета разбавления при выпуске сточных вод в озера и водохранилища следующий:
- а)исходя из расчетного расхода сточных вод, устанавливают площадь сечения сосредоточенного выпуска или суммарную площадь отверстий рассеивающего выпуска; выбор скорости истечения производится, как указано выше;
- б) устанавливают диаметры выпускных отверстий;
- в)для рассеивающего выпуска определяют расстояние между оголовками;
- г)последовательно рассчитывают параметры: р по формуле
- д)находят разбавление по формуле
Эффект смешения значительно повышается при использовании специальных рассеивающих выпусков и предварительном разбавлении сточных вод речной водой путем ее подачи из реки или из водохранилища насосами в береговую камеру выпуска.
Потребление и растворение кислорода в воде водоема. Для того чтобы процесс самоочищения протекал нормально, необходимо обеспечить определенные условия, основным из которых является наличие в водоеме после спуска в него сточных вод запаса растворенного кислорода.
В водоеме одновременно происходит, с одной стороны, потребление кислорода на минерализацию органических веществ, а с другой -- пополнение его за счет растворения кислорода, поступающего с поверхности водного зеркала, т. е. так называемая реаэрация.
Кислородный режим реки зависит от температуры. При повышении температуры воды скорость потребления кислорода возрастает, а так как скорость реаэрации при этом почти не изменяется, то летом минимум содержания кислорода наступает быстрее и содержание кислорода в реке будет меньше. Принимая к тому же во внимание, что растворимость кислорода в воде летом уменьшается, следует признать летние условия в отношении содержания кислорода в реке менее благоприятными, чем зимние (при отсутствии ледяного покрова).
Ледяной покров в зимнее время почти приостанавливает реаэрацию, и содержание растворенного кислорода может очень сильно уменьшиться. Наблюдались даже случаи гибели рыбы от недостатка кислорода. В этот период насыщение воды кислородом должно осуществляться аэрацией. Поверхность водохранилища в зоне аэрации остается свободной от льда, вода получает необходимое количество кислорода и качество ее улучшается.
В водохранилищах циркуляция воды в верхних слоях поддерживается благодаря действию ветра, что приводит к полному насыщению воды кислородом. Это, в свою очередь, создает нормальные условия для развития планктона, служащего пищей для рыб. Однако ниже определенного уровня перемешивающее действие ветра перестает сказываться и плотность воды быстро повышается. Вода из придонных слоев выше этого уровня подняться не может, в ней происходит накопление остатков растительных и животных организмов, опускающихся из верхних слоев и разлагающихся с образованием сероводородных соединений Следствием этого являются обескислороживание воды и значительное ухудшение ее качества.
Одной из мер, позволяющих уменьшить дефицит кислорода в застойных зонах водохранилищ, является искусственная их аэрация. Ее применение стимулирует развитие планктона и увеличивает рыбные запасы водохранилищ.
Бактериальное загрязнение водоемов. Наличие бактериальных загрязнений в бытовых сточных водах может быть причиной инфекционных заболеваний, возбудители которых могут распространяться через воду (холера, тиф, бактериальная дизентерия и др.). По общим требованиям к составу воды водоемов у пунктов санитарно-бытового водопользования вода не должна содержать возбудителей заболеваний.
В качестве показателя самоочищения водоемов чрезвычайно важное значение имеет снижение числа бактерий. Закономерность процесса самоочищения от бактериальных загрязнений еще не установлена полностью. Нередко в водоеме ниже выпуска сточных вод бактериальное загрязнение сначала возрастает, а затем начинается отмирание бактерий в процессе самоочищения воды. При этом максимум бактериального загрязнения может наступить значительно ниже места практически полного смешения. По данным С. Н. Строганова, такое явление наблюдалось во всех обследованных проточных водоемах.
До настоящего времени обнаружено отмирание в воде только водных сапрофитов и кишечной палочки. В какой связи с этими явлениями находится патогенная микрофлора, не выяснено, причем не отрицается возможность при определенных условиях размножения в воде возбудителей кишечных заболеваний. Многие патогенные микробы, в том числе микробы брюшного тифа и холеры, сохраняют жизнеспособность в воде довольно долго.
Для летне-осеннего периода С. Н. Строганов приводит следующие схематизированные данные о ходе процесса бактериального самоочищения. Через 24 ч остается не более 50% бактерий от максимального их числа, через 48 ч--10-- 25%, через 72 ч -- 10%, через 96 ч-- 0-5%.
Открытые водоемы почти непрерывно подвергаются разнообразным загрязнениям. Однако в крупных водоемах (реки, озера и др.) резкого ухудшения качества воды не наблюдается. Это объясняется тем, что вода в них под влиянием различных физико-химических и биологических процессов обладает способностью самоочищаться от взвешенных частиц, органических веществ, микроорганизмов и других загрязнений.
Процесс самоочищения водоемов протекает под влиянием разнообразных факторов, которые действуют одновременно в различных сочетаниях.
К числу таких факторов следует отнести: гидрологические - разбавление и смешивание попавших загрязнений с основной массой воды, механические - осаждение взвешенных частиц; физические - влияние солнечной радиации и температуры; биологические - сложные процессы взаимодействия водных растительных организмов с составными частями поступающих стоков; химические - превращение органических веществ в минеральные (минерализация).
При поступлении сточных вод в водоем происходит смешивание стоков с водой водоема, и концентрация загрязнений снижается. Кроме того, взвешенные минеральные и органические частицы, яйца гельминтов и микроорганизмы частично осаждаются, вода осветляется и становится прозрачной.
В процессе самоочищения происходит отмирание сапрофитов и патогенных микроорганизмов. Они погибают в результате: обеднения воды питательными веществами, бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей солнца, которые проникают в толщу воды более чем на 1 м, влияния бактериофагов и антибиотических веществ, выделяемых сапрофитами, неблагоприятных температурных условий, антагонистического воздействия водных организмов и др. факторов. Процессы самоочищения воды протекают более интенсивно в теплое время года, а также в проточных водоемах - реках. Существенное значение в процессах самоочищения воды имеют так называемые сапрофитная микрофлора и водные организмы. Некоторые представители микрофлоры водоемов обладают антагонистическими свойствами к патогенным микроорганизмам, что приводит к гибели этих микробов.
Простейшие водные организмы, а также зоопланктон (рачки, коловратки и др.), пропуская воду через свой кишечник, уничтожают огромное количество бактерий. Бактериофаги, попавшие в водоем, также оказывают воздействие на болезнетворные организмы.
Одним из важных процессов самоочищения воды является минерализация органических веществ, то есть происходит образование минеральных веществ из органических под воздействием биологических, химических и др. факторов. При минерализации наблюдается в целом обеднение воды органическими веществами, наряду с этим и органическое вещество также сможет окисляться - часть бактерий гибнет; кроме того, минеральные вещества могут выпадать в осадок или находиться в истинных растворах, а органические вещества в воде растворены в коллоидном состоянии, то есть придают воде мутность.
Процесс минерализации (разложения, окисления) органических веществ в воде можно представить следующим образом (рис.4): белковые вещества расщепляются на более простые азотсодержащие вещества (альбумозы, пептоны и др.), а они еще на более простые (аминокислоты и др.) и остаются в виде различных остатков органических кислот и аммонийных соединений. Первым минеральным продуктом окисления азотсодержащих органических веществ является аммонийный ион или аммиак. Наличие последних в высоких концентрациях, при отсутствии нитритов и нитратов, указывает на свежесть загрязнения. Аммиак (азот аммония) как правило, при наличии окислителей переходит в нитриты, но эти соединения очень нестойки и при наличии кислорода окисляются до нитратов. Нитраты являются как бы конечным веществом при минерализации органических азотсодержащих продуктов.
Окисление жиров, клетчатки, углеводов в основном идет в воде с интенсивным образованием двуокиси углерода и воды.
Доказательством того, что азотсодержащие минеральные вещества являются веществами органического происхождения, служит высокая “окисляемость” воды, почти отсутствие растворенного кислорода, наличие хлоридов, сульфатов, фосфатов и др.
Хорошая аэрация воды - обогащение воды кислородом - обеспечивает активизацию окислительных, биологических и других процессов, способствует очищению воды.
Скорость самоочищения воды зависит от многих условий: количества загрязнений, поступивших в водоем; глубины его и скорости течения воды; температуры воды; наличия растворенного кислорода в воде; состава микрофауны, флоры и др. Однако следует помнить, что водоем обладает определенной способностью к самоочищению от загрязнений. Подобная способность водоемов не безгранична, наоборот она очень ограничена.
Соединения свинца, меди, цинка, ртути, которые могут попасть в водоемы со стоками, оказывают токсическое воздействие на организм животных, а также способствуют замедлению процессов самоочищения воды и ухудшают ее органолептические свойства.
В небольших водоемах при незначительном количестве загрязнителей белкового характера в воде могут накапливаться промежуточные вещества из распада (в частности, сероводород, нитриты, диамины и др.), обладающие высокой токсичностью.
Самоочищение подземных вод происходит благодаря фильтрации через почву и за счет процесса минерализации, в результате вода полностью освобождается от органических загрязнений и микроорганизмов.