Всего четыре группы

Примеси каждой группы обладают специфическими особенностями, и потому для их удаления требуются определенные технологические приемы водоочистки и контроля, независимо от их количеств и степени изученности.

В первую группу входят нерастворимые в воде примеси, величина частиц которых 10^-4 см и больше, образующие в воде так называемые взвеси. Взвеси обусловливают мутность воды, а в некоторых случаях и ее цветность. Сюда относятся глинистые вещества, карбонатные породы (мел, гипс), ил, мелкий песок, малорастворимые гидроксиды металлов, некоторые органические вещества, планктон и т. д.

Среди взвешенных частиц могут присутствовать бактерии (в том числе болезнетворные) и вирусы. На поверхности частиц могут находиться радиоактивные вещества, и сами взвеси иногда являются токсическими соединениями. Полнота удаления этих примесей из воды зависит от степени ее осветления.

Системы, образованные примесями первой группы, кинетически неустойчивы: нерастворимые вещества удерживаются во взвешенном состоянии динамическими силами потока воды. Они попадают в водоемы в результате размывания окружающих пород и смыва почв. Интенсивность оседания примесей зависит от свойств системы. В состоянии покоя они оседают, образуя осадки различной плотности.

Для удаления примесей этой группы используют физико-химические процессы, рассчитанные на выведение из воды веществ, начиная от тонких взвесей и кончая крупными частицами. Это процессы адгезии (прилипание примесей к поверхности сорбентов и зернистых инертных материалов), агрегации и седиментации (укрупнение частиц при помощи специальных реагентов с последующим осаждением), флотации (всплывание на поверхность воды в результате образования насыщенных газами сгустков). С этой целью применяют механические способы - отстаивание, микропроцеживание, фильтрование и др.

Вторая группа объединяет примеси, находящиеся в коллоидном состоянии и в виде высокомолекулярных соединений. Это кристаллические или аморфные вещества. Высокомолекулярные вещества представлены линейными, спиральными и разветвленными макромолекулами различной степени гибкости. Размер частиц таких примесей (степень дисперсности) составляет 10^-5 - 10^-6 см. К примесям, образующим вторую группу, относятся минеральные и органо-минеральные частицы почв, различные формы гумусовых веществ, которые придают воде окраску. Гумус вымывается из лесных, болотистых и торфяных почв в природные водоемы или образуется в самих водоемах в результате жизнедеятельности водных растений.

В щелочной среде соли этих соединений, образованные щелочными металлами, хорошо растворяются в воде. Их можно рассматривать как электролиты, и для очистки от них воды используют те же процессы, что и для очистки от загрязнений четвертой группы (см. далее). В нейтральной и слабокислой средах отдельные молекулы гумусовых кислот укрупняются благодаря межмолекулярному координированию их полярных групп и образуют коллоидные системы.

К этой же группе могут быть отнесены вирусы и другие микроорганизмы, в том числе болезнетворные (патогенные) бактерии, которые по своим размерам приближаются к коллоидным частицам, удаление их из воды чрезвычайно важно.

Примеси, входящие во вторую группу, характеризуются особыми молекулярно-кинетическими свойствами, а вследствие более мелких размеров их самопроизвольное оседание крайне затруднено. Чтобы ускорить этот процесс, в воду добавляют специальные вещества - коагулянты. При содействии последних примеси теряют свою устойчивость в растворе, слипаются, укрупняются и выпадают в осадок в виде хлопьев. После этого их можно удалить из воды. Предварительное применение больших доз хлора, озона или других окислителей повышает качество обрабатываемой воды, так как при этом устраняются вещества, придающие ей цветность, гибнут микроорганизмы и, что особенно важно, улучшается протекание процессов укрупнения частиц и их оседания.

При исследовании процессов водоподготовки ученые установили, что существуют вещества, которые могут значительно повысить и ускорить действие коагулянтов. Такие вещества названы флокулянтами. Один из наиболее действенных флокулянтов, по составу родственный обыкновенному песку,- активная кремнекислота. Небольшие количества этого вещества (до 5 % от дозы коагулянта) ускоряют образование хлопьев, способствуют более быстрому и полному оседанию их.

В третью группу входят растворенные в воде газы и органические соединения - как биологического происхождения (например, гуминовые кислоты и вульвокислоты), так и вносимые со стоками промышленных предприятий и населенных пунктов (различные продукты жизнедеятельности и отмирания плесневых грибов, бактерий, водорослей, а также фенолы и другие органические соединения). Вещества третьей группы придают воде самые разнообразные привкусы и запахи, а иногда и окраску. Размеры этих веществ - 10^-6 - 10^-7 см. В процессе очистки воды они ведут себя как молекулярнорастворимые, хотя многие из них при иных условиях легко образуют коллоидные системы и даже взвеси. Примеси, относящиеся к третьей группе, являются гомогенными системами. Некоторые из них, вносимые сточными водами, токсичны.

Молекулы растворенного соединения могут существенно изменять взаимодействие между молекулами воды и сами взаимодействовать между собой не так, как в чистом веществе. Кроме того, они могут связываться с водой химически, образуя прочные или легко диссоциирующие соединения, существующие лишь в растворе. Обычно основную роль в них играет водородная связь.

Нередко в воде растворены газы, не вступающие с ней в химические реакции, например кислород, азот, метан, благородные газы и др. Тогда их поведение подчиняется общим физическим закономерностям для таких систем, например, уменьшается растворимость с ростом температуры воды и т. д. Другие газы образуют с водой химические соединения. Аммиак (гидроксид аммония) - соединение щелочного характера. Сероводород и оксид углерода (IV) придают воде кислотные свойства. Таким образом, свойства каждой конкретной системы, относящейся к данной группе, зависят в известной мере и от химических особенностей входящих в нее компонентов.

Наиболее эффективными процессами удаления из воды веществ третьей группы являются аэрирование, окисление, адсорбция.

Растворенные в воде газы и летучие органические вещества (легкие бензины, некоторые органические сернистые соединения, низкомолекулярные эфиры, карбонильные соединения и др.) удаляются аэрированием воды - продуванием сквозь нее мелких пузырьков воздуха.

Растворенные в воде одно- и многоатомные фенолы, большинство продуктов органического синтеза, гумино-вые кислоты и вульвокислоты разрушают действием сильных окислителей.

Многие вещества, входящие в данную группу, выводятся из воды с помощью активированных углей. Применение последних основано на том, что молекулы растворимых в воде примесей вступают во взаимодействие с высокопористой поверхностью углей и более или менее прочно на ней закрепляются (сорбируются). Как известно, на активированном угле хорошо сорбируются гидрофобные соединения, к которым относятся углеводороды нефти, ароматические углеводороды и их производные (хлорфенол), хлорированные углеводороды и другие соединения, растворяющиеся в воде в небольших количествах.

Для адсорбционного извлечения из воды низкомолекулярных соединений можно применять мелкопористые угли, для удаления веществ с более крупными молекулами, например гуминовых кислот и вульвокислот,- крупнопористые угли либо специальные ионообменные материалы гранулированной или волокнистой структуры.

Четвертая группа объединяет вещества, диссоциирующие в воде на ионы. Это преимущественно соли неорганических кислот - очень распространенные, почти обязательные компоненты примесей всех природных вод. Степень их дисперсности составляет 10^-7 - 10^-8 см.

При выборе метода удаления нежелательных ионов следует учитывать, что реакции между ионами практически необратимы, если в результате их взаимодействия образуется вещество в виде газа, осадка или малодиссоциированного соединения.

Техника очистки воды от примесей, входящих в четвертую группу, сводится к связыванию ионов, подлежащих удалению, в малорастворимые или слабодиссоциированные соединения.

Применяют также ионообменные реакции, протекающие на поверхности твердой фазы (на ионообменных смолах). Такие процессы целесообразны в тех случаях, когда удаляемые ионы необходимо удержать на нерастворимом в воде материале, заменив их безвредными ионами. Освобождение воды от ионных примесей можно осуществлять также переводом ее в твердую фазу (вымораживание, образование газгидратов), добавлением не смешивающегося с водой вещества для образования двух слоев - воды и растворителя. В последнем и скапливаются эти примеси. В некоторых случаях целесообразно применять метод электродиализа, основанный на увеличении направленной подвижности ионов в электрическом поле, благодаря чему облегчается их удаление из воды.