CC BY
55Определение органических примесей природных вод при обосновании технологических средств обработки
о см о см
<0
о ш т
X
<
т О X X
Головин Виктор Леонтьевич,
к.т.н., доцент, профессор, кафедра инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы, Дальневосточный федеральный университет, [email protected]
Попова Татьяна Юрьевна,
старший преподаватель, кафедра инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы, Дальневосточный федеральный университет, [email protected]
Безбородов Сергей Александрович,
ст. преподаватель, кафедра инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы, Дальневосточный федеральный университет, [email protected]
Медведь Полина Владимировна,
ст. преподаватель, кафедра инженерных систем зданий и сооружений Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет, [email protected]
На основе исследований, проведенных на водоочистных комплексах Приморского края, дается анализ природообразующих факторов цветности воды. Рассмотрены аспекты определения показателей цветности природных вод, что позволяет расценивать этот признак лишь как косвенный, свидетельствующий о наличии растворенных органических веществ (РОВ) разной степени дисперсности, только часть которых определяет окрашивание воды. Сложность определения форм РОВ и их активная трансформация в том числе и при взаимодействии с химреагентами существенно затрудняет обоснование эффективных технологий обесцвечивания воды. Тем не менее такой анализ позволил определить основные направления совершенствования методов количественного определения содержания РОВ и выбора деструктивных воздействий на коллоидные системы. При этом важно правильно определить роль микроорганизмов, тем более что вполне доказано их участие в деструкции коллоидных систем, именно этот эффект способствует удалению из воды комплексоорганических примесей. Ключевые слова: растворенные органические вещества, цветность воды, предварительное хлорирование, процесс очистки воды, коагуляция, очистные сооружения, биокоррозия, микроорганизмы.
Введение
В мировой практике проблема очистки природных вод является важнейшей при организации хозяйственно-питьевого водоснабжения. В последние годы значительное внимание уделяется обесцвечиванию воды и этот вопрос по праву оказывается одним из самых актуальных. В большинстве регионов России основными источниками централизованного питьевого и технического водоснабжения служат водные объекты с маломутными и высокоцветными водами (не менее 60%), для которых определяющим природным загрязнителем являются гумусовые кислоты [1- 3, 7-11]. При этом, как выясняется, высокоцветную воду следует рассматривать как сложную биохимическую систему, включающую достаточно большое число разнородных элементов, в частности, не только растворенные органические продукты, но и микроорганизмы, «сопровождающие» эту органику.
В Приморском крае воды рек и водохранилищ при относительно невысоком содержании грубодисперсных примесей (ГДП) на протяжении большей части года также имеют и высокую цветность. При этом следует признать, что до настоящего времени глубокое изучение природообразующих факторов цветности проводится далеко недостаточно [11]. Именно в этой связи возникают сложности в определении качественных и количественных характеристик цветности, что затрудняет возможность выбора и обоснования технологических средств и способов очистки воды.
Цель работы - на основе анализа современных способов определения технологических показателей РОВ, выявить основные показатели, которые влекут за собой ошибки при создании систем очистки природных вод.
Особенности формирования цветности природных вод
Природа цветности, как известно, определяется многочисленными факторами в той или иной мере влияющими на формирование качества воды. К таким факторам относятся достаточно известные характеристики территории водосборного бассейна, среди которых, прежде всего, следует отметить региональные климатические особенности. В частности, для Приморского края к таким особенностям следует отнести относительно низкую мутность речных вод на протяжении большей части года, повышенную цветность особенно после часто повторяющихся ливневых осадков, малое солесодержа-ние и относительно небольшой щелочной резерв, при том, что сами атмосферные осадки обладают повышенной кислотностью и, следовательно, повышенной растворяющей способностью.
Для большинства источников водоснабжения в Приморском крае в разное время года характерно изменение цветности воды в широком диапазоне (от 30 до 200 и более градусов платиново-кобальтовой шкалы - ПКШ, в Петровском водохранилище цветность может повышаться до 700 градусов). Следует отметить, что изменчивость этого показателя обнаруживается и в процессе
обработки природных вод. При этом может меняться не только молекулярное строение органических соединений и (или) размеры молекул, но и степень дисперсности. Многие исследователи отмечают, что эти комплек-соорганические вещества могут находиться в воде, как в коллоидной форме, так и частично в форме истинных растворов.
Вообще гуминовые вещества являются одним из широко распространенных классов природных веществ -водных примесей. Как отмечено, они представляют собой трехмерно связанные коллоидные системы преимущественно ароматической природы с фенольными и хи-ноидными свойствами. Они отличаются величиной молекулы сферического строения и считаются гетерополи-конденсатами. Из природных соединений обычно различают гуминовые кислоты, фульвокислоты и гумины. В таких водах гумины присутствуют в виде соединений железа, марганца, алюминия и других металлов имеющие различную степень дисперсности [3, 7, 11].
Анализ фракционного состава органических примесей, создающих цветность, показывает, что в среднем 1 град. цветности ПКШ гуминовых кислот эквивалентен 0,066 мг/л, 1 град. для фульвокислот, представленных апокриновыми кислотами - 0,096 мг/л и 1 град. и крено-выми кислотами - 0,821мг/л; соответственно 1 мг/л вещества создает цветность, по усредненным данным, 24,4; 12,6 и 1,9 град. ПКШ [8]. При этом даже при цветности 20 град. ПКШ концентрация фульватных соединений может превышать 16 мг/л при условии их перехода из коллоидов в первый класс дисперсности.
До 60-80 % растворённых органических веществ (РОВ) составляет гуминовые и фульвокислоты, причём содержание последних на порядок превышает концентрацию гуминовых кислот. Наличие в фульвокислотах карбоксильных и карбонильных групп, а также феноль-ных гидроксидов способствует образованию прочных комплексных соединений с железом, находящихся в истинно растворённом состоянии. Гуминовые кислоты могут также образовывать с гидроксидами железа и алюминия комплексные соединения, частично представленные и коллоидной формой [7, 8, 10, 11]. Связывание железа и некоторых других металлов в комплексы фульво-кислотами является более сильным, чем гуминовыми кислотами. Наибольшей устойчивостью фульватные комплексы железа обладают в кислой и слабокислой среде. Органические кислоты не только обусловливают запах и привкус воды, определяют ее высокую цветность, но и способны образовывать высокотоксичные хлорорганические загрязнения, а также соединения с тяжелыми металлами и пестицидами [8].
В связи с этим при рассмотрении вопросов обработки цветных вод важно иметь в виду, что благодаря высокой степени дисперсности (коллоидные системы и истинные растворы) комплексоорганические соединения очень устойчивы к деструкции. Мониторинг качества воды поверхностных водотоков и водоемов по настоящее время весьма ограничен [11] и, в частности, не дает полного представления о формах различных загрязняющих ингредиентов, находящихся в таких водах. При этом дисперсное состояние гумусовых кислот зависит от внутриводных химических взаимодействий и скорости протекания естественных седиментационных процессов.
Очень важно понять механизмы переходных процессов примесей из одной степени дисперсности в другую,
определяющих принципы деструктивных взаимодействий частиц между собой и другими деструкторами. Анализ результатов исследований подтверждают лишь недостаточность изученности этих вопросов [11]. В этой связи можно лишь утверждать, что интенсивность внутриводных химических взаимодействий, в том числе и деструктивных изменений солей органических кислот, определяется, в частности, концентрацией водородных ионов (рН), температурой среды, содержанием ГДП, электрокинетической напряженностью (^-потенциал), степенью дисперсности сложных комплексоорганиче-ских соединений, наличием и формой других органических продуктов, и их концентрацией в воде.
Рассматривая природообразующие факторы цветности, следует понимать, что собой представляют коллоидные системы и истинные растворы, которые в конечном итоге и определяют этот важнейший показатель. Как считается [10] коллоидные частицы представляют собой соединения из относительно большего числа молекул. Они имеют диаметр до 0,1 мкм, что по размерам существенно больше молекулы и имеют более сложное строение, так как включает в себя минимум два различных по химическому составу вещества. По гипотетическим предположениям с водой они образуют гетерогенную (двухфазную) систему. Свойства частиц на границе раздела между водой и коллоидными частицами резко отличаются. Коллоидная частица - мицелла имеет ядро, образованное из дисперсной фазы, а вокруг ядра расположен так называемый стабилизатор, состоящий из истинно-растворённого электролита, связанного с ядром адсорбционными силами [10].
Коллоидные частицы находятся в состоянии непрерывного, хаотического - броуновского движения, интенсивность которого с повышением температуры возрастает [10]. Это движение обуславливает кинетическую устойчивость коллоидной системы, при этом коллоидная фаза в жидкой среде не осаждается под влиянием силы тяжести. В то же время броуновское движение способствует сближению и столкновению частиц, в результате чего они могут соединяться и укрупняться, то есть терять свою агрегативную и кинетическую устойчивость. Это может быть отнесено к возможным причинам, которые объясняют деструкцию, в том числе естественную, объясняющую самоочищение водных объектов, или изменение дисперсности примесей коллоидной системы.
Как уже отмечено повышение температуры среды активизирует процессы снижения агрегативной устойчивости коллоидов и соответственно повышается вероятность деструктивных изменений вплоть до перехода их в состояние ГДП. При достаточно высокой температуре и перемешивании воды повышается интенсивность флуктуаций концентрации, повышается скорость молекулярной диффузии и появляется турбулентная диффузия [10]. Понижение температуры, напротив, снижает вероятность процессов деструкции и во многом объясняет устойчивость коллоидной системы.
ГДП, содержащиеся непосредственно в водных объектах, также следует отнести к природообразующим факторам, которые могут влиять на величину цветности. В частности, при повышенной мутности цветность обычно минимальна, поскольку в этом случае снижение количества окрашивающих воду веществ обусловлено эффектом стесненного осаждения при повышенном взаимодействии частиц взвеси с коллоидными образованиями. Однако большее значение здесь имеет иммобили-
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м о
о см о см
<0
о ш т
X
<
т О X X
зация на частицах ГДП микроорганизмов, «сопровождающих» органические коллоиды, обусловливающие цветность. Присутствие микроорганизмов, наличие и форма других органических продуктов, и их концентрация в воде также входят в число важнейших факторов в той или иной степени, определяющих цветность.
Таким образом, проблемы обесцвечивания воды, в соответствии с отмеченным, определены уже тем, что природная вода не всегда рассматривается как сложная биохимическая система с достаточно большим числом разнородных элементов. Как любая подобная система она подчиняется определенным законам, в частности, стремится сохранить гомеостатическое равновесие. Во многом изменение ее свойств и качественных параметров, например, при очистке связано с тем, что любое возмущение, искусственно вносимое в водную среду, не всегда достаточно полно учитывает свойства этой системы. Было бы неточным рассматривать в этой системе только соли органических кислот, непосредственно определяющих цветность. Правильнее было бы рассматривать цветность как индикатор, показывающий наличие в природной воде органических соединений, различающихся не только формой образований, но и степенью дисперсности.
Анализ природообразующих факторов цветности
При организации хозяйственно-питьевого водообес-печения зачастую обоснование схемы кондиционирования поверхностных вод должно учитывать не только наличие в них определенных загрязнителей, но форму соединений, в которой они находятся в этой воде. Однако невозможно чётко разграничивать органические кислоты на фульво- и гуминовые, поскольку практически постоянно проходит процесс деструкции макромолекул гуминовых кислот и их переход в фульвокислоты [8]. Это, прежде всего, касается устойчивых органических соединений различных металлов, наличие которых часто просто не учитывается, поскольку современные методы химических способов их обнаружения несовершенны или такие анализы проводятся в пределах времени их естественной деструкции, то есть спустя некоторое время достаточное для видоизменения этих соединений.
При этом продолжительность периода естественной деструкции комплексоорганических соединений может быть различной. В частности, в Нежданкинском водохранилище (г. Дальнегорск, Приморский край) после прохождения тайфуна «Лайонрок» в конце августа начале сентября 2016 года цветность воды в нём превысила 80° ПКШ и только к концу мая 2017 года понизилась до допустимых пределов 20о ПКШ.
Длительное время процесса естественного обесцвечивания в указанном случае может объясняться образованием более устойчивых фульватных комплексов железа в коллоидной форме при рН не выше 6,5 и нахождением части растворенных органических веществ (РОВ) в виде истинных растворов. Важным фактором, по-видимому, оказалось малая концентрация ГДП (4060 мг/дм3) и низкая температура воды в осенне-зимний период. Это подтверждает не только важность определения формы примесей, которые могут содержаться в воде [5], но и обосновывать необходимость применения более эффективных средств деструктивного воздей-
ствия на такие примеси для ускоренного обесцвечивания воды чем, например, обработка коагулянтами и се-диментационное осветление.
Другим примером повышенной устойчивости к деструкции фульватных соединений железа являются водоочистные сооружения г. Дальнереченска (Приморский край), на которых для удаления примесей используется система аэрации и скорые песчаные фильтры с последующим хлорированием. Комплексоорганические соединения железа содержатся в форме коллоидов в воде, забираемой береговым водозаборным сооружением из реки Большая Уссурка. Поступает вода на очистные сооружения с содержанием железа до 15 мг/дм3 и используется преимущественно в системе отопления.
Повышенное содержание железа в данном случае следует считать аномально высоким для речных вод, и обусловлено это тем, что водозаборные сооружения расположены на относительно небольшом удалении от устья р. Малиновки, в бассейне которой распространены болотные массивы. Наличие железа в питьевой воде придает ей специфичный привкус, приводит к образованию осадка, вызывает интенсивное зарастание теплообменников в котельной, что приводит к значительному перерасходу топлива на нагрев воды, и к за-шламлению труб в системе отопления.
Тепловая обработка воды, содержащей комплексо-органические соединения железа, что подтверждается приведенным примером, обеспечивает более глубокую деструкцию органических примесей, которые в ходе фильтрования продолжали находиться в растворенном состоянии.
При этом непосредственно после фильтров на Даль-нереченских очистных сооружениях по данным производственной лаборатории концентрация железа не превышала 1 мг/дм3. Но перед котельной этот показатель увеличивается в 3 раза, а по интенсивности зарастания трубчатых теплообменников, в которых происходит нагревание воды, и затем в трубах городской отопительной системы следует считать, что концентрация железа существенно выше.
Это свидетельствует только о том, что железистые соединения в значительном количестве находятся в форме, например, в соединении с фульватными комплексами, которые не определяются обычными способами [4]. Применяемые технологические приемы (аэрация, фильтрование, хлорирование) не обеспечивают достаточную степень удаления солей железа. Напротив, после хлорирования они могут преобразовываться в сложные с высокой степенью дисперсности и, следовательно, более устойчивые к деструкции хлорорганиче-ские соединения, интенсивно выделяющиеся при нагревании воды до 80оС.
Присутствие в воде Раковского водохранилища (г. Уссурийск, Приморский край) комплексоорганических загрязнителей, обусловливающих повышенную цветность (до 200о ПКШ), является важнейшей проблемой очистки природной воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения [4, 5]. Обработка ее проводится на осветлителях с зернистой контактной загрузкой при предварительном хлорировании, коагулировании и обеззараживании хлором. При этом цветность воды после осветлителей с контактной загрузкой снижается и редко превышает нормативные требования (20о ПКШ), а содержание железа составляет обычно не выше 1,0
мг/дм3. На фармацевтическом предприятии в г. Уссурийске, специализирующемся на приготовлении физиологических растворов для медицинских целей, при указанных показателях качества требуется доочистка водопроводной воды. В месте водоотбора из трубопровода системы водоснабжения вода имеет повышенное содержание железа до 1,65 мг/дм3. Система доочистки воды включает три последовательно работающих ступени фильтрования: фильтр с песчаной загрузкой, угольный фильтр и мембранный фильтр.
После доочистки воды на песчаном фильтре концентрация железа снижается до 0,85 мг/дм3, практически не изменяется после фильтра с угольной загрузкой (дробленый антрацит) и несущественно снижается после мембранного фильтрования - до 0,65 мг/дм3, что почти в 6 раз превышает допустимые нормы. Таким образом, даже при использовании трехступенного фильтрования, в том числе и с применением мембранного фильтра, используемого на фармацевтическом предприятии, достичь требуемой степени очистки водопроводной воды не удается. Это позволяет сделать вывод о недостаточной эффективности работы осветлителей с контактной загрузкой и системы доочистки фармпредприятия в присутствии таких загрязнителей как РОВ, которые не задерживаются даже на мембранной, ультрафильтрационной установке. Вообще по технологиям с использованием нанофильтрации сложилось мнение специалистов как о весьма перспективном способе обработки воды. В то же время считается, что ультрафильтрация уступает по ряду технологических возможностей. В частности, ультрафильтрационные мембраны практически не задерживают органические соединения с молекулярной массой ниже 200 кДа (Дальтон), рассматриваемой как предел отсечения загрязняющих веществ. В этом случае при наличии в очищаемой воде растворенных ком-плексоорганических соединений обеспечить достаточную степень очистки не удается.
Кроме того, следует отметить, что определение цветности воды в водохранилище, форм и степени дисперсности железистых соединений в процессе очистки и транспортирования воды не позволяет судить о фактическом количестве РОВ. Это лишь подтверждает несовершенство методов определения концентрации органических водных примесей и не позволяет подобрать достаточно надежный способ обработки воды.
Учитывая определенную субъективность метода визуального сопоставления цвета стандартного раствора платинокобальтовой шкалы (ПКШ) и отобранного образца воды из реального источника, с определением интенсивности окраски в условных цветовых единицах Ха-зена (градус), длительное время ведутся поиски более совершенных методов определения цветности. В настоящее время используются различные приборы (компаратор, фотоколориметр, спектрофотометр), позволяющие по светопроницаемости (оптической плотности) испытуемых образцов судить о цветности воды, но при этом требуется тарировочная характеристика, полученная с использованием ПКШ.
Однако проблема точного определения цветности не только в субъективности применяемых методов определений и в сложности идентифицировать форму органического вещества, но и в интенсивности фазовых переходов этих примесей. В частности, при определении концентрации фульватных соединений железа по оптической плотности методом фотоколориметрии с обработкой пробы воды роданистым аммонием в течение
времени проведения измерений (2 часа) на станции во-доподготовки п. Зеленый Дол (Приморский край) были получены совершенно различные результаты от 12,2 до 24,8 мг/ дм3. После кипячения той же пробы с добавлением ацетилсалициловой кислоты с целью деструкции всего количества органических соединений концентрация их оказалась более 32 мг/л [4]. При этом даже использование мер интенсивной деструкции не дает гарантии того, что последний результат достаточно точен. Таким образом, визуальное определение цветности с помощью платинокобальтовой шкалы тем более не позволяет с достаточной точностью судить о показателях РОВ, которые должны быть устранены из воды. В этом случае имеется возможность говорить лишь о том, какое количество истинно растворенных и коллоидных соединений органических веществ подверглись деструкции и находятся в диапазоне визуальной доступности, что и позволяют оценить цветность в условных единицах Ха-зена. При этом цветность как самостоятельный показатель качества неприемлем, поскольку позволяет судить только об окрашивающих воду органических структурах. Этот показатель не дает представление о других веществах, которые, как показано в приведенных примерах, начинают проявлять себя, только спустя некоторое время, после и (или) в ходе технологических манипуляций, в частности, при введении реагентов. При этом если попытки воздействия на систему (вода-РОВ) связана только с внесением химикатов, например, коагулянтов без учета природы загрязнений и без учета наличия в ней микроорганизмов то, скорее всего, такие попытки обречены.
Степень загрязненности природных вод органическими веществами, как известно, может определяться перманганатной окисляемостью. Этот метод нашел широкое применение в практике, однако он считается далеко недостаточно точным, поскольку при определении этой характеристики невозможно учесть тот факт, что органические вещества могут окисляться не одновременно, не полностью и в различной степени [10]. Отсутствие надежных методов определения полного содержания, состава и степени дисперсности органических примесей в воде затрудняет обоснованный выбор эффективных технологических приемов ее очистки.
В связи с этим следует отметить, что в редких случаях речь ведется о необходимости подбора специальных деструкторов, которые бы могли достаточно оперативно взаимодействовать с примесями органической природы. Такие деструкторы должны были бы минерализовать органику, обеспечивать выделение примесей из воды при возможности достоверно оценивать их количество. Опыт работы очистных сооружений, где используются коагулянты, показывает, что недопустимо считать их деструкторами и ожидать от них эффективного выделения органического вещества из растворов. В приведенных примерах подчеркивается очевидность слабого влияния коагулянтов на деструкцию большей части органических соединений, присутствующих в коллоидном состоянии, а тем более в состоянии истинных растворов. Провести количественную оценку РОВ при отсутствии обоснованных способов определения таких ингредиентов и их формы в исходной воде также не представляется возможным. В такой ситуации важно исследовать механизмы процессов деструкции РОВ в природной среде, где эти процессы осуществляются с участием микроорганизмов.
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м о
о см о см
<0
о ш т
X
<
т О X X
Роль микроорганизмов в формировании качества природных вод
Как выше отмечалось, проблемы кондиционирования высокоцветных поверхностных вод усугубляются тем, что нет полного представления о формах этих загрязняющих ингредиентов, находящихся в таких водах. В то же время следует иметь в виду, что присутствие в воде комплексоорганических соединений всегда определяет некоторую их пищевую ценность для определенных видов микроорганизмов. По большей части именно этим объясняются процессы естественной деструкции органических соединений и самоочищение водных объектов в природной среде. Следовательно, микрофлора всегда «сопровождает» и активно взаимодействует с комплексоорганическими соединениями, изменяя их форму и дисперсное состояние.
Минерализация низкомолекулярных железооргани-ческих соединений, а также и распад органоминераль-ных комплексов, образуемых гумусовыми кислотами с полуторными окислами в природных водах, обусловлены, главным образом, жизнедеятельностью специфичных видов микроорганизмов, активно участвующих в превращениях этого элемента [4]. Причем некоторые виды микроорганизмов, например, одни из самых распространенных, таких как Gallionella и Leptothrix, «перерабатывают» значительное количество комплексоорганических соединений железа, нередко в сотни раз превышающее их собственную массу. В процессе деструкции таких соединений при взаимодействии с микроорганизмами железо и другие металлы (алюминий, марганец) освобождаются из труднорастворимых форм. При этом они приобретают подвижность, вовлекаются в биологический круговорот и подвергаются дальнейшим превращениям. Однако, судя по опубликованным материалам, этот вопрос еще требует более глубокого изучения.
Вообще микроорганизмы в придонных отложениях рек, природных и искусственных водоемов представлены весьма большим разнообразием и в основном такими видами как: Rotatjtoria, Тш'ЬеНапа, Nematoda, АгсЫаппе^а, Oligachaeta, Ов^ао^а, Cyclopoida, Harpachtiocoida, Syncarida . При этом, состав микроорганизмов существенно и достаточно оперативно изменяется в соответствии со степенью загрязненности воды и наличия в ней определенных загрязняющих ингредиентов органической природы.
При наличии органических примесей в подземных водах также всегда присутствует специфичная микрофлора, хотя еще устойчиво представление о том, что подземные водоносные горизонты достаточно надежно защищены и исключают присутствие в них микроорганизмов [4]. Тем не менее, общеизвестно, что водные среды по насыщенности микроорганизмами занимают второе место после почв, и этот факт недопустимо не учитывать при рассмотрении вопросов водоподготовки. По-видимому, это послужило причиной того, что при обосновании систем очистки воды еще совсем недавно обязательным считалось проведение предварительного хлорирования, особенно при наличии ее повышенной цветности. В настоящее время прехлорирование цветных вод совершенно недопустимо, поскольку при наличии органики в воде образуются значительные количества хлороформа и других токсичных хлорорганических соединений, а при наличии тяжелых металлов воздействие сильных окислителей вызывает полное выделение токсичных соединений из нетоксичных комплексов
[10, 13]. При этом хлорорганические соединения, как оказалось, в силу более высокой дисперсности являются еще более устойчивыми к деструкции, в сравнении с другими солями органических кислот. В связи с этим прехлорирование следует считать необходимым лишь с целью санации очистных сооружений и его целесообразно применять только после обесцвечивания воды и удаления других РОВ. Следует отметить, что при озонировании, как известно, образуются еще более токсичные озонорганические соединения.
Присутствие микроорганизмов в водах, содержащих РОВ, обязательно следует относить к природообразую-щим факторам, которые в настоящее время практически никак не рассматриваются. К водной органике следует относить также и особые виды микроорганизмов, присутствие которых в воде допустимо расценивать как наличие примесей. Поскольку их развитие и отмирание, а также выделение продуктов метаболизма привносит дополнительное количество органического вещества. К таким микроорганизмам необходимо отнести диатоми-товые и сине-зеленые водоросли. Следует отметить, что диатомитовые водоросли - бациллярии и сине-зеленые водоросли - цианобактерии или оксифотобакте-рии хотя и называются водорослями, но, как выяснено исследованиями последних лет, это микроорганизмы. Присутствие их в водоемах, в том числе и Приморского края, достаточно характерно и в таких случаях необходимо иметь в виду, что это органические загрязнители и при очистке воды должно обеспечиваться их полное устранение.
Проведенные исследования водопроводной воды после ее традиционной обработки (первичное и вторичное хлорирование, в том числе при замене хлора гипо-хлоритом натрия), в частности, Ивановской государственной медицинской академией [6] выявлены наноструктуры, аналогичные наблюдавшимся в других исследованиях в различных образцах материалов биологического происхождения. При электронной микроскопии концентрата обнаружены нанообъекты преимущественно сферической формы размерами 20 - 200 нм. В настоящее время их относят к роду Nanobacter, при этом чистые культуры трёх штаммов этих бактерий депонированы немецкой коллекцией микроорганизмов в качестве нового вида Nanobacterium sanguineum [6]. Следует отметить, что до недавнего времени о существовании в природе таких нанобактерий науке не было известно. По этой причине нормативные документы в области питьевого водоснабжения не рассматривают их среди факторов, влияющих на качество и безопасность питьевой воды.
В ходе исследований [6] было установлено, что фильтрация, аэрация и хлорирование питьевой воды не приводит к эрадикации (уничтожению) нанобактерий, которые выявлены также в образцах плотных наростов на конструкциях фильтров и во внутренних полостях водопроводных труб системы ПРВ. При этом утверждается, что нанобактерии «активно поглощают железо» и обусловливают коррозию труб и металлических конструкций. Такие выводы нельзя считать бесспорными, поскольку сам процесс окисления железа определенно не играет для микроорганизмов никакой энергетической роли, и «поглощать» непосредственно железо даже нанобактерии не смогли бы физически, тем более при отсутствии такой необходимости. Для существования микроорганизмов (гетеротрофов) обязательно требу-
ются органические вещества, сами же по себе минерализованные формы железа, а тем более железо как материал элементов системы ПРВ не участвует непосредственно в процессах метаболизма бактерий.
Большинство водных органических примесей, например, фульватных соединений железа, как уже упоминалось, представляет собой сложные коллоидные системы преимущественно ароматической природы с фе-нольными и хиноидными свойствами. Они отличаются величиной молекулы сферического строения и считаются гетерополиконденсатами. То есть имеют сложную молекулярную структуру и непосредственно участвовать в обмене веществ клетки бактерии они не могут. В данном случае обменный процесс определяется давно доказанным механизмом, суть которого определяется тем, что крупные молекулы должны быть предварительно расщеплены на простые соединения, для которых клеточная мембрана проницаема. Такое расщепление осуществляется экзоферментами - энзимами, которые выделяются микроорганизмами в водную среду.
При этом микроорганизмы стремятся к иммобилизации - закреплению на неподвижных элементах среды своего обитания, которыми в данном случае является внутренняя поверхность трубы, на ней и образуются колонии этих бактерий [4, 5]. Поэтому в развитии биокоррозии металлических элементов системы ПРВ действительно «виноваты» микроорганизмы, в том числе, по-видимому, и нанобактерии. Однако причиной биокоррозии является не «добыча» микроорганизмами железа, а выделение ими агрессивных энзимов, посредством которых осуществляется расщепление комплексоорганиче-ских соединений, имеющихся в воде. Органическую часть сложных молекул микроорганизмы используют для обеспечения своего метаболизма, а минеральная, в частности, в виде окислов железа накапливается вблизи колоний, образуя полусферические чехлы. В образовавшемся замкнутом пространстве при высокой концентрации агрессивных компонентов на границе контакта со стенкой трубы проходит коррозия под действием энзимов, которые по своим свойствам близки к перекиси водорода. Зачастую при этом образуются сквозные свищи и возникают потери воды в значительных объемах, вплоть до аварийных ситуаций. Таким образом, энзимы, выделяемые микроорганизмами, взаимодействуют с водой, содержащей рОв, а контактируя с поверхностью стальной трубы, являются причиной биокоррозии.
Вода при этом «обогащается» продуктами этих взаимодействий, в частности, окислами железа, происходит ее вторичное загрязнение как солями железа, так и продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. Не исключено при этом, что в воде могут оставаться и сами микроорганизмы, в том числе и нанобактерии, которые обнаружены Ивановской государственной медицинской академией [6]. Кроме того, присутствие нанобактерий обнаруживается в организме человека и если это определяет негативное влияние на здоровье, что предстоит еще выяснить современной науке [6], то проблемы требуют оперативного решения.
Исключить вторичное загрязнение, транспортируемой по трубопроводам, воды возможно только одним путем - повысить эффективность работы очистных сооружений и степень очистки воды от таких примесей как РОВ. При этом вода не будет представлять какой-либо питательной ценности для микроорганизмов, что исключит их появление и развитие в системе ПРВ. Причем как показывает практика применения физико-химической
очистки и современных методов дезинфекции (хлорирование, озонирование, ультрафиолетовое облучение, мембранное фильтрование) не дают ожидаемого эффекта и микроорганизмы могут активно развиваться, как только в среде вновь возникают достаточно благоприятные условия. Основную проблему в сложившейся ситуации следует определить, как необходимость совершенствования и развития методов не только количественного определения РОВ в воде и их форм при различной степени дисперсности, но и совершенствования технологических приемов обработки воды и ее дезинфекции.
В практике водоподготовки различные виды микроорганизмов, способных деструктивно взаимодействовать с органическими субстанциями, в том числе и с же-лезоорганическими соединениями, а также вызывать коррозию металлических элементов принято называть железобактериями. Большинство известных видов железобактерий обладает мощным ферментативным аппаратом, что оказывается особым преимуществом микробиологического ферментного окисления в сравнении процессом химического окисления. Такие бактерии способны деструктурировать очень устойчивые органические комплексы железа, которые химическим путем разрушаются гораздо сложнее.
Таким образом, в настоящее время, несмотря на повышенный интерес к изучению проблем обесцвечивания воды, приходится констатировать то, что изученность природообразующих факторов, обусловливающих степень дисперсности и формы содержания РОВ далеко недостаточна. При этом можно предположить, что в цветной воде обычно доминирует содержание фульвокислот, но под влиянием многообразных факторов природа органических соединений, определяющих цветность, может существенно изменяться и в каждом водоисточнике это может проходить по-разному [11 ]. Зачастую это не дает возможности прогнозировать закономерности изменчивости величины показателя цветности и других РОВ, следовательно, своевременно принимать исчерпывающие меры по предотвращению его негативного влияния на эффективность обработки воды.
Заключение
Загрязнители, обусловливающие цветность, обычно представлены комплексоорганическими соединениями железа и других металлов, образуют коллоидные системы или могут находиться в форме более высокой степени дисперсности, представляя собой истинные растворы. При этом такие системы оказываются динамичными и с течением времени могут изменять форму и уровень дисперсности. Следует признать определенную субъективность метода визуальной оценки интенсивности окраски в условных цветовых единицах Ха-зена. При этом цветность как самостоятельный показатель качества вообще неприемлем, поскольку позволяет судить только об окрашивающих воду органических структурах на момент его определения, а к другим формам органики он вообще нечувствителен. В связи с этим цветность следует рассматривать лишь как индикатор, показывающий наличие в природной воде органических соединений, различающихся не только формой образований, но и степенью дисперсности.
Отсутствие надежных методов определения полного содержания, состава и степени дисперсности органических примесей в воде затрудняет обоснованный выбор
X X
о
го А
с.
X
го т
о
2 О
м о
о сч о сч
<JD
О ш m х
<
m о х
X
эффективных технологических приемов ее очистки. Совершенствование технологий водоподготовки невозможно без понимания существа процессов, проходящих в очистных сооружениях по стадиям обработки, а также без изучения закономерностей, определяющих качественные показатели исходной воды и их изменчивость. Это предполагает необходимость совершенствования методов определения показателей, определяющихся наличием в воде РОВ. Как показывает практика, РОВ из-за видоизменения очень трудно поддаются деструкции, и для устранения их из воды требуется применение довольно сложных технологий водоподготовки. При этом применение достаточно надежных деструкторов, которые бы обеспечивали достаточно полное удаление таких примесей, в современных технологиях даже не рассматривается.
При наличии органических примесей в природных водах всегда присутствует специфичная микрофлора. Присутствие микроорганизмов в водах, содержащих РОВ, следует относить к природообразующим факторам, которые в настоящее время при обосновании водо-подготовки практически никак не рассматриваются. К водной органике следует относить не только РОВ, но и любые виды микроорганизмов, присутствие которых в воде допустимо расценивать как наличие водных примесей, поскольку их развитие и отмирание, а также выделение продуктов метаболизма привносит дополнительное количество органического вещества. При этом важно правильно определить роль микроорганизмов, тем более что вполне доказано их участие в деструкции коллоидных систем, именно этот эффект способствует удалению из воды комплексоорганических примесей. Связано это, прежде всего с тем, что большинство известных видов микроорганизмов обладает мощным ферментативным аппаратом, который может оказаться основой технологий микробиологического ферментного окисления РОВ более эффективной в сравнении, например, с процессом химического окисления.
Литература
1. Войтов Е.Л. Очистка маломутных природных вод с высоким содержанием органических соединений для питьевого водоснабжения: Автореферат дисс. д-р техн. наук. - Новосибирск, 2012 г.
2. Войтов, Е.Л. Очистка высокоцветных маломутных речных вод / Ю.Л. Сколубович, Е.Л. Войтов // Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность: Труды VII Международной научно-практической конференции. - Кемерово, 2004. - С. 42.
3. Гандурина Н.В. Влияние химического состава природных вод на коагулирующую способность полигек-саметиленгуанидин гидрохлорида / Сб. научн. трудов ОАО «НИИ ВОДГЕО». - М.: Изд-во ВСТ, 2009. - С. 4-7.
4. Головин В.Л. Очистка подземных вод от комплек-соорганических соединений железа // Водоснабжение и водоотведение: качество и эффективность// Тр. XI Меж-дународн. научно-практич. конф. - Кемерово, 2008. с. 69-75.
5. Головин В.Л., Попова Т.Ю., Медведь П.В., Ткач Н.С. Возможности использования микробиологических способов обесцвечивания природных вод // Проблемы мелиорации и водного хозяйства на Дальнем Востоке России: сб. научн. тр. ДальНИИГиМ. - Владивосток: Дальнаука. 2017. Вып. 19. с. 89 - 103.
6. Горшенин А.П., Гарасько Е.В., Пономарев А.П.
Влияние нанобактерий на качество и безопасность питьевой воды // Водоснабжение и сан. техника. 2010. № 12. - С. 20-24.
7. Драгинский В.Л. Особенности применения коагулянтов для очистки природных цветных вод // Водоснабжение и сан. техника. 2008. № 1.
8. Журавлев С.П., Амосова Э.Г., Прохоренко А.С. Особенности коагуляции маломутных цветных вод с низким солесодержанием / Сб. научн. трудов ОАО «НИИ ВОДГЕО». - М.: Изд-во ВСТ, 2009. - С. 8-14.
9. Ивкин П.А., Латышев Н.С. Эффективность совместного применения коагулянтов и высокомолекулярных флокулянтов для очистки высокоцветных вод / Сб. научн. трудов ОАО «НИИ ВОДГЕО». - М.: Изд-во ВСТ, 2009. - С. 15-19.
10. Кургаев Е.Ф. Осветлители воды. - М.: Стройиз-дат, 192 с.
11. Никитин А.М., Курбатов П.В. Некоторые аспекты очистки маломутных высокоцветных вод // Водоснабжение и сан. техника. 1999. № 3.
The issues of identification of organic impurities in natural waters while justifying technological methods of water treatment
Golovin V.L., Popova T.Yu., Bezborodov S.A., Medved P.V.
Far Eastern Federal University
Based on studies conducted at the water treatment complexes in the Primorsky Territory, an analysis is undertaken on the nature-forming factors of the color of water. Aspects of determining the color indices of natural waters are considered. This feature is regarded only as an indirect one that indicates the presence of dissolved organic substances (DOM) of varying degrees of dispersion and only partially determines the colour of water. The complexity of determining the forms of DOM, as well as their active transformation, including when interacting with chemicals, significantly complicates the justification of effective technologies for bleaching water. Nevertheless, this analysis makes it possible to determine the main vector for improving methods for quantitative determination of the DOM content and destructive effects on colloidal systems. In this case, it is important to correctly determine the role of microorganisms and, since their participation in the destruction of colloidal systems is fully proven, - it is the feature that facilitates the removal of complex organic impurities from water. Keywords: dissolved organic substances, water color, preliminary chlorination, water purification process, coagulation, treatment facilities, biocorrosion, microorganisms. References
1. E. L. Voitov. Purification of low turbidity natural waters with high content of organic compounds for drinking water supply: Extended abstract of the thesis. Doctor of Engineering Sciences. - Novosibirsk, 2012.
2. E. L. Voitov. Purification of low turbidity river waters with high water color index / Y. L. Skolubovich, E. L. Voitov // Water supply and waste water disposal: quality and efficiency: Proceedings of VII International Research-to-Practice Conference. - Kemerovo, 2004 - p. 42.
3. N. V. Gandurina. Influence of chemical composition of natural waters on coagulation ability of polyhexamethylene guanidine hydrochloride / Collection of studies of OAO "NII VODGEO" - M.: Publishing house VST, 2009. - p. 4-7.
4. V. L. Golovin. Purification of subsurface waters from complex organic compounds of iron // Water supply and waste water disposal: quality and efficiency // Proceedings of XI International Research-to-Practice Conference. - Kemerovo, 2008. p. 69-75.
5. V. L. Golovin, T. Y. Popova, P. V. Medved, N. S. Tkach. Opportunities to use microbiological methods for decoloration of natural waters // The problems of land development and water management in the Russian Far East: Collection of studies of the Far Eastern Scientific Research Institute of Hydrotechics and Land Development. - Vladivostok: Dalnauka.
2017. Edition. 19. p. 89 - 103.
6. A. P. Gorshenin, E. V. Garasko, A. P. Ponomarev. Influence of nanobacteria on quality and safety of drinking water // Plumbing and Water supply. 2010. № 12. - p. 20-24.
7. V. L. Draginskiy. Appication features of coagulants for purification of natural colored waters // Plumbing and Water supply. 2008. № 1.
8. S. P. Zhuravlev, E. G. Amosov, A. S. Prokhorenko. Coagulation features of low turbidity colored water with low content of salt / Collection of studies of OAO "NII VODGEO" - M.: Publishing house VST, 2009. - p. 8-14.
9. P. A. Ivkin, N. S. Latyshev. Effectiveness of joint application of coagulants and high-molecular flocculants for purification of waters with high color index / Collection of studies of OAO "NII VODGEO" - M.: Publishing house VST, 2009. - p. 15-19.
10. E. F. Kurgaev. Water clarification agents. - M.: Stroyizdat, p. 192.
11. A. M. Nikitin, P. V. Kurbatov. Certain aspects of purification of of low turbidity waters with high water color index // Plumbing and Water supply. 1999. № 3.
X X
o 00 A c.
X
00 m
o
2 O ho o
