О.С.ГАБРИЕЛЯН, Т.Н.ПОПКОВА,
Г.А.СИВКОВА, С.А.СЛАДКОВ

Вода в нашей жизни

Учебно-методическое пособие к элективному курсу
для 9 класса основной школы или 10–11 классов
базового уровня средней школы

Продолжение. Начало см. в № 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 18, 19, 20/2009

§ 16. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Цель. Познакомить учащихся с принципами очистки сточных вод. Продолжить формирование экспериментальных навыков, осуществить очистку воды различными методами. Воспитывать бережное отношение к водным ресурсам.

Форма занятия. Лекция с элементами беседы. Демонстрационный эксперимент.

Оборудование и реактивы. Мерный цилиндр, пластиковые и химические стаканы на 1 л и на 150–250 мл (2 шт.), делительная и коническая воронки, фильтровальная бумага, штатив, секундомер или часы, стеклянные палочки, песок, гравий, древесный или активированный уголь, глина, 1%-й раствор кристаллогидрата сульфата алюминия, грязная вода (содержит твердые примеси, муть, моторное масло).

План занятия

Метод механической очистки.

Метод химической очистки.

Электролитический метод.

Метод биологической очистки.

Вода самое драгоценное ископаемое.
Академик А.П.Карпинский

Учитель. Надо признать, что отношение человека к «самому драгоценному ископаемому» пока лишь потребительское. Заводы, фабрики, сельское хозяйство используют огромное количество воды. Для того, чтобы вырастить тонну риса необходимо потратить 4000 т воды, а для производства 1 т капрона – 2500 т.

Использование воды в бытовых и производственных целях, как правило, сопровождается ее загрязнением. При этом изменяются ее первоначальный химический состав или физические свойства, Такая вода называется сточной и подлежит удалению с территории населенного пункта или промышленного предприятия. Сейчас, из-за промышленных сбросов, практически невозможно найти чистый природный водоем, в котором бы не нарушалось естественное равновесие в циклах круговорота веществ.

В зависимости от происхождения, вида и состава примесей, сточные воды подразделяют на три основные категории.

1. Бытовые стоки. К ним относят воды от кухонь, туалетных комнат, бань, прачечных, предприятий общественного питания, лечебных учреждений и др.

2. Производственные сточные воды. Воды, которые использовались в технологическом процессе и часто не пригодны для вторичного применения. Состав этих вод весьма разнообразен и зависит от вида производственной деятельности.

3. Дождевые воды. Образуются в результате выпадения атмосферных осадков. К ним относятся также талые воды, получающиеся при таянии снега и льда.

Загрязнение водоемов промышленными и бытовыми выбросами становится мировым бедствием, т.к. ни в одной стране не решена проблема очистки сточных вод в полном объеме. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в мире около 2 млрд человек имеют хронические заболевания и около 5 млн погибает каждый год из-за различных болезней, связанных с использованием загрязненной воды.

Над разработкой способов очистки и обеззараживания воды трудятся многие ученые во всем мире.

В настоящее время очистка сточных вод осуществляется механическим, химическим и биологическим методами. Для ликвидации бактериального загрязнения применяется обеззараживание сточных вод (дезинфекция). В чем состоит сущность очистки воды? Как сделать воду прозрачной в нашем стакане?

Метод механической очистки

Прежде всего, из сточных вод необходимо удалить нерастворимые примеси. Для механической очистки применяют специальные сооружения. Грубые примеси размером больше 5 мм задерживаются на решетках, более мелкие улавливаются ситами.

Основная масса загрязнений минерального происхождения осаждается в песколовках. Песок из них направляется на особые площадки, где он обезвоживается, из него удаляются ионы тяжелых металлов, и затем этот песок используют для выравнивания рельефов местностей.

Органические загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии, выделяются из сточной жидкости в отстойниках. Часть тяжелых веществ оседает на дно, а более легкие (жиры, масла, нефть, смолы) всплывают на поверхность, далее их отделяют, например, используя боновые заграждения.

Механической очисткой можно выделить из бытовых сточных вод до 60 % нерастворимых примесей, а из производственных – до 95 %.

Если ряд показателей не соответствует санитарным нормам, вода поступает на следующую ступень очистки.

Метод химической очистки

Этот метод заключается в добавлении к сточным водам химических реагентов, которые способствуют осаждению загрязнителей в виде нерастворимых веществ, далее их отделяют в специальных отстойниках.

Если в промышленных стоках остаются кислоты, их просто нейтрализуют щелочами, чаще всего используется наиболее дешевое «известковое молоко» – взвесь гидроксида кальция в воде.

Еще для очищения воды применяют коагулянты – электролиты с ионами, имеющими большие заряды, например Al₂(SO₄)₃, Fe₂(SO₄)₃. В растворах этих веществ образуются положительно заряженные гранулы, которые адсорбируют на своей поверхности коллоидные частицы с противоположным знаком. Заряд нейтрализуется, частицы «склеиваются» и выпадают в осадок. Одновременно с образованием осадка идет адсорбция на нем красящих и органических веществ. Последующая фильтрация делает воду более прозрачной.

Демонстрационный эксперимент «Коагуляция примесей в воде»

В литре воды размешивают глину (7–10 г), полученную взвесь разливают по двум стаканам. В первый добавляют 6–7 капель приготовленного раствора сульфата алюминия, а во второй ничего не вносят. Сразу же после добавления реагента отмечают время, затраченное на осаждение.

Учащиеся замечают, что в стакане с сульфатом алюминия осаждение происходит значительно быстрее: вода за 2–5 мин. становится светлой. В другом стакане глина оседает на дно примерно 20 мин.

Учитель подчеркивает, что аналогично происходит коагуляция и очистка воды на водоочистительных станциях.

Электролитический метод

Учитель. Это достаточно дорогой метод очистки, он связан с дополнительными энергозатратами, т.к. приходится пропускать электрический ток через сточные воды. При этом ионы загрязнителей разряжаются на электродах и образуют нетоксичные соединения. Из электролизеров вытекает сравнительно чистая вода.

Метод биологической очистки

Этот метод – своего рода «симбиоз» человека и микроорганизмов. Первый поставляет в воду загрязнения, а вторые с аппетитом их «поедают». Химические отходы в клетках микроорганизмов превращаются в ценные белки, витамины и другие «вещества», необходимые для активного роста и жизни «малюток». Некоторые микроорганизмы предпочитают «питаться» нефтепродуктами, другие – фенолом. Их пищевые пристрастия очень разнообразны, они своеобразные химические гурманы.

Технологи учли особенности жизнедеятельности «микроэкологов» и создали им необходимые условия. Например, сточную воду обогащают кислородом перед процеживанием через слой крупнозернистого материала, покрытого биологической пленкой, заселенной аэробными микроорганизмами. Это так называемый биофильтр. Микроорганизмы способны очищать воду, когда она насыщена кислородом.

Практически на всех химзаводах есть огромные железобетонные резервуары – аэротенки, в них сточные воды под действием сжатого воздуха перемешиваются с активным илом, заселенным аэробными микроорганизмами (амебы, жгутиковые, коловратки и др.). Далее продолжается перемещение воды по особым «коридорам» с последующим отстаиванием и освобождением от остатков активного ила.

Биологическая очистка воды применяется и на космических кораблях, например водоросль хлорелла поглощает углекислый газ и аммиак, насыщая воду кислородом.

Ученые продолжают искать эффективные пути биорегенерации воды. Без решения этой проблемы будут невозможны пилотируемые полеты к далеким планетам.

В земных же условиях некоторым водоемам особенно повезло с естественной микрофлорой. По мнению микробиологов, мельчайшие коловратки и некоторые другие микроорганизмы создают уникальную чистоту озера Байкал, хотя имелись случаи сброса сточных вод целлюлозно-бумажного комбината. Главную опасность несет хлор и его соединения, по этой причине на производстве создана многоступенчатая очистка воды. Экологи на протяжении десятилетий контролируют состав выбросов в Байкал, чтобы не нарушились биологические системы самоочищения воды.

В результате биологической очистки вода становится прозрачной, она не загнивает и содержит растворенный кислород.

На следующем этапе водоподготовки предстоит убить болезнетворные бактерии. Дезинфекция воды осуществляется хлором, озоном, фторидом натрия, ультрафиолетовыми лучами.

Чистая вода в наших домах обеспечивается трудом тысяч людей. Одни проектируют системы очистки, другие строят сооружения. Технологи, аппаратчики и другие специалисты обслуживают многочисленные водоочистительные объекты. Аналитики, биоэкологи, работники санитарно-эпидемиологических учреждений день и ночь стоят на службе, контролируя чистоту воды. Качественная питьевая вода – это и дар природы, и результат труда многих людей, нам следует к ней относиться более ответственно, соблюдая режим экономного использования воды.

Вопросы для закрепления материала

1. Какие виды загрязнений водных сред вы знаете?

2. Что понимается под способностью водоемов к самоочищению?

3. Какие бы меры вы рекомендовали в новый проект закона по охране природных вод?

4. Что понимается под оборотным водоснабжением?

5. Какими веществами загрязняются бытовые сточные воды?

6. Перечислите основные методы очистки сточных вод.

7. В чем заключается механический метод очистки воды, как он проводится?

8. В чем суть биологической очистки сточных вод? Какова при этом роль кислорода?

9. На чем основан химический метод очистки загрязненных вод?

10. Какие из предложенных народных пословиц содержат экологический подтекст?

• «У воды и без воды».

• «Вода о воде не плачет».

• «Вода близка, да гора скользка».

• «Что выпито или вылито, тому счетов не сведено».

Учитель сообщает, что учащимся предстоит научиться очищать загрязненную воду и возможно, что эти навыки пригодятся им в туристических походах.

Темы рефератов для учащихся

1. Загрязнения водных ресурсов: проблемы и решения.

2. Влияние кислотных дождей на водные экосистемы.

3. Здоровье воды – здоровье человека.

4. Природоохранная деятельность предприятий (на местном материале).

Л и т е р а т у р а

Воронцов А.И., Харитонова Н.З. Охрана природы. М.: Высшая школа, 1977; Денисова В.Г. Химия. 9 класс. Сборник элективных курсов. Волгоград: Учитель, 2006; Аликберова Л.Ю., Хабарова Е.И. Задачи по химии с экологическим содержанием. М.: Центрхимпресс, 2001; Химия. 9 класс. Сборник элективных курсов. Вып. 3. Авт.-сост. В.Е.Морозов. Волгоград: Учитель, 2007; Зиятдинов Ш.Г. Физическая экология: Учебно-методическое пособие к элективному курсу. М.; Бирск: МПГУ, 2007; Проценко А.Н. Энергия будущего. М.: Молодая гвардия, 1980; Протасов В.Ф., Молчанов А.В. Словарь экологических терминов и понятий. М.: Финансы и статистика, 1997.

Печатается с продолжением