Вода

Вода является главной составной частью всех живых тканей как растительных, так и животных. Без воды жизнь невозможна. Разные питательные вещества можно при нужде заменить тем или другим суррогатом, но вода не может быть заменена ничем другим.

В природе вода встречается в трех видах; парообразная (облака, туманы), жидкая (вода рек, озер, морей, роса и тому подобное) и твердая (лед, снег, град).

Чистая вода представляет собой химическое соединение водорода и кислорода (оба вещества в свободном виде газообразны).

Вода не имеет никакого вкуса и запаха и соверщенно бесцветна. При обыкновенной температуре она жидкая, При понижении температуры ниже 0° она замерзает, при повышении температуры выше 100° Ц переходит в газообразное состояние и тогда называется паром. Совершенно чистой воды в природе нет; вода, встречающаяся в природе, всегда содержит большее или меньшее количество примесей, в зависимости от ее происхождения.

Природные воды можно разделить на две большие группы: воды метеорные,— которые падают на землю в виде дождя, града и снега, и воды теллурические; к последним относятся воды рек, озер, ручьев, морей и тому подобное.

Вода совершает в природе постоянный круговорот, имеющий огромное значение для жизни животных и растений.

Из водных бассейнов,— океанов, морей, рек, озер и тому подобное,— вода испаряется, собирается в верхних слоях воздуха в виде облаков и, образовав капли дождя или кристаллы снега, падает на землю в виде метеорной воды. Если бы отсутствовал такой круговорот, то жизнь — как животная, так и растительная — на некотором расстоянии от водяных источников была бы почти невозможна.

Человек для своих нужд пользуется водой рек, грунтовой водой и, в редких случаях,— по причинам, которые будут указаны ниже, морской водой.

Метеорные воды непостоянны и не всегда могут находиться в распоряжении человека.

Вода в зависимости от ее назначения, разделяется на „питьевую“ и „промышленную“. К каждой из них предъявляются свои требования.

Свойства воды

Познакомимся теперь со свойством воды, встречающейся на поверхности земли и в земле. Эти воды можно разделить на три большие группы: 1) жесткие воды, 2) мягкие воды и 3) соленые воды.

Жесткие воды

Часто юда протекает через слои известковых месторождений и растворяет известь, увлекая ее с собой. Обычно в воде содержатся небольшие количества углекислоты, которые сильно повышают ее растворяющую способность по отношению к известняку и магнезиальным солям. Такая вода, насыщенная известковыми и магнезиальными солями, обладает свойствами, затрудняющими пользование ею как для питья, так и для промышленности. Всем известно, что жесткая вода плохо растворяет мыло, в такой воде трудно стирать белье и трудно мыться ею, в ней с трудом разваривается пища, в самоварах от такой воды остается на стенках накипь, требующая частого удаления. В паровых котлах, при питании их жесткой водой, образуется слой накипи, вызывающий увеличенный расход топлива, а иногда обусловливающий и взрывы котла, крайне опасные для обслуживающих его людей и котельного здания. Указанные причины заставляют или избегать употребления жесткой воды или искусственно делать ее мягкой.

Мягкие воды

Мягкой называется вода, содержащая мало известковых и магнезиальных солей и хорошо растворяющая мыло, дающая обильную пену. Самой мягкой природной водой является метеорная. Реки, имеющие песчаное русло с песчаными же или глинистыми берегами, только не известковыми, дают мягкую воду, годную для самых разнообразных целей.

Соленые воды

Такие воды встречаются в местностях, где почва богата солью. Примером могут служить Баскунчакские озера, вода которых является насыщенным раствором обыкновенной поваренной соли. Воды морей и океанов содержат тоже много солей в растворе и относятся к соленым водам.

Подпочвенные или грунтовые воды

Кроме рек, морей и озер, в обыденной жизни, а иногда и в промышленности, большую роль играют так называемые подпочвенные, или грунтовые воды. В местностях, более или менее удаленных от рек, грунтовые воды являются единственным источником воды как для питья, так и для промышленных целей. Подпочвенные воды залегают на различной глубине в зависимости от строения почвы, то есть глубины залегания слоев, непроницаемых для воды, например глины. Количество удерживаемой почвой воды колеблется от 20 до 35% по объёму. Часто грунтовые воды находятся на значительной глубине под рядом водонепроницаемых слоев; оттуда их приходится добывать при помощи артезианских колодцев.

Грунтовые воды обладают различными свойствами; они могут быть жесткими, мягкими и солеными в зависимости от состава пород, через которые они проходят или которые они пропитывают.

Для промышленности вода играет не меньшую роль, чем для живой природы. Целый ряд отраслей промышленности потребляет огромное количество воды, принимающей участие или в химических процессах или как среда, в которой производят обработку материала (например кожевенная промышленность, красильная, писчебумажная и другие). Вода, как источник энергии, за последнее время привлекает все большее внимание; недаром ей присвоили название „белого угля“. Используется или сила течения воды в реках или энергия водопадов. Паровые машины и турбины приводятся в движение водяным паром, получаемым в особых нагревательных аппаратах, называемых паровыми котлами.

Вода для питья

Известный химик профессор Бунге говорит, что питьевая вода должна удовлетворять следующим требованиям:

Вода должна быть бесцветна, прозрачна, без запаха и не содержать сколько-нибудь значительных количеств взвешенных веществ и болезнетворных микроорганизмов¹
Химический состав и температура воды должны быть в течение года, по возможности, постоянны; температура должна колебаться в пределах от 6⁰ до 12⁰ Ц.
Вода должна быть в достаточной степени насыщена газами и содержать их не менее 30 см³ на 1 л, причем наиболее важно содержание кислорода.
Вода должна содержать не более 500 мг сухого остатка на 1 л, причем она не должна содержать больше 15 мг органических веществ и совершенно не должна содержать азотистой кислоты и аммиака. Присутствие азотистой кислоты и аммиака указывает на наличие восстановительных процессов, часто связанных с процессами гниения.

1) Микроорганизмами называются мельчайшие живые существа, наблюдаемые только с помощью микроскопа. (Смотрите Дрожжевое дело.)

Из всех природных вод этим требованиям лучше вгего отвечает ключевая вода и — реже — вода колодезная и речная. Ключевая вода, однако, лишь в редких случаях может служить достаточным источником для снабжения больших городов, которые обычно пользуются водой речной или колодезной.

Речная вода редко бывает достаточно чиста, чтобы служить непосредственно в качестве питьевой. Какие же вещества загрязняют воду в реках, и откуда они берутся? В настоящее время главными загрязнителями речных вод являются города и промышленные предприятия, а также и пароходы на судоходных реках. Особенно нежелательными и ядовитыми надо считать воды, загрязненные промышленными предприятиями. Все промышленные предприятия, потребляющие большие количества воды, располагаются, в огромном большинстве случаев, по берегам рек. Вода из реки, пройдя по всем отделениям фабрики, обыкновенно уже сильно загрязненная, стекает в таком виде обратно в ту же реку и уносится течением вниз. В зависимости от производства, эти так называемые сточные воды могут быть вредны в большей или меньшей степени.

В речных водах часто заводятся болезнетворные микроорганизмы, и тогда вода становится опасной, так как она может стать рассадником эпидемии. Как на пример можно указать на холерные и тифозные эпидемии. Кроме того в речной воде всегда есть взвешенные вещества, то есть она редко бывает совершенно прозрачной.

Способы очистки питьевой воды

В настоящее время различают механические, химические и биологические способы очистки питьевой воды.

Механические способы очистки воды сводятся к отстаиванию и фильтрованию. Отстойные пруды часто применяются для очистки речных вод для того, чтобы освободиться от главной массы наиболее крупных взвешенных частиц. Устройство таких прудов очень несложно. По своей форме и виду они напоминают обычный пруд, через который вода или очень медленно протекает, или же оставляется на определенное время в покое, после чего спускается на фильтры.

Фильтрами называются приспособления для удаления из воды последних остатков взвешенных веществ, которые не отстоялись в прудах. Фильтр заполняется так называемыми фильтрующими материалами, которые обычно состоят из гравия и песчаника с различной величиной зерен или же из кокса. Слои фильтрующих материалов располагаются по крупности так, чтобы внизу находился самый крупный, а наверху самый мелкий. Благодаря такому расположению все загрязняющие воду частицы удерживаются под верхним слоем и в самом слое, что дает возможность легко чистить фильтры. Если расположить слои в обратном порядке, то весь фильтр сверху донизу забился бы илом, и прочистить его промыванием или удалить грязь просто механически не представлялось бы возможным.

Вода, проходя через эти слои, освобождается от взвешенных веществ и становится совершенно прозрачной.

Не всякая прозрачная вода может считаться вполне пригодной для питья; одно из главных требований, которые к воде предъявляются, это—содержание органических веществ не свыше определенной нормы, а также полное отсутствие в ней болезнетворных микроорганизмов. Удалить органические вещества и микроорганизмы можно различными способами. Первый способ, это—продувание воздуха через воду, которое может значительно улучшить ее качества, а продувание озона совершенно очищает воду. Второй способ состоит в фильтровании воды через биологические фильтры. Третий способ—очистка воды кипячением.

Первый способ понятен без описания.

Биологический способ очистки воды

Биологическим фильтром называется обычный песчаный фильтр, верхний слой которого образует активный ил, состоящий из массы бактерий, глинистых частиц, водорослей и тому подобное. Этот активный слой и служит материалом, очищающим воду от органических веществ и болезнетворных микроорганизмов. Заключающиеся в активном иле микроорганизмы поглощают органические вещества, уничтожают болезнетворных микробов и тем самым очищают воду. Биологические фильтры бывают двух типов:

Рисунок 1. Биологический фильтр для воды. контактные, или периодические, и оросительные, или непрерывнодействующие. Различие между ними заключается только в способах распределения воды; в первых вода заливает весь фильтр, а во вторых, она разбрызгивается над фильтром и никогда не заливает его до верха. При очистке воды контактными фильтрами воду наливают на фильтр и дают ей пройти сквозь него, после чего фильтр некоторое время стоит без воды. Затем его снова заливают (рисунок 1)

Рисунок 2. Водоочиститель

Химические способы очистки питьевой воды направлены к удалению таких взвешенных веществ, которые плохо удерживаются фильтрами, а иногда и целиком проходят сквозь них. Эти способы основаны на свойствах некоторых веществ давать с водой хлопьевидные осадки, которые, осаждаясь, увлекают с собой взвешенные частицы. Многим известно, что во время разлива рек вода бывает мутной, и в местах, где пользуются речной водой без фильтрования, к ней прибавляют немного глинозема²).

Таким путем удается освободиться от мути. Кроме удаления видимой мути, химические вещества убивают микроорганизмы и превращают их в такое состояние, при котором они не могут пройти сквозь фильтр.

2) Глиноземом, или, вернее, сернокислым глиноземом, называется продукт, получающийся при обработке белой глины серной кислотой.

Очистка промышленных вод сводится к удалению веществ, обусловливающих жесткость. Очистка производится химическими составами с последующим отстаиванием от осадков.

Для очистки применяются, главным образом, известь, сода, кремнекислые соединения и другие. Один из аппаратов для очистки представлен на рисунке 2.

Аппарат состоит из сосуда А для растворения извести, сосуда С для растворения соды и сосуда Е, являющегося распределителем воды. Очистка происходит в большом сосуде F. Сосуд В служит для насыщения и отстаивания извести. Очищаемая вода вместе с известью и содой попадает в сосуд F, там очищается, затем фильтруется через фильтр К и уходит чистой через сосуд L для питания паровых котлов или для каких-либо других целей.

Сточные воды

Почти все отрасли промышленности дают большее или меньшее количество загрязненных вод, называемых „сточными водами“. Сточные воды при наличии рек обычно спускаются в них и загрязняют реку настолько, что ближайшие деревни не могут брать из нее воду для питья. С ростом промышленности количество сточных вод все увеличивается, загрязненность рек растет, и во многих странах уже в законодательном порядке промышленники обязываются очищать спускаемые сточные воды от загрязняющих веществ.

В зависимости от характера производства сточные промышленные воды сильно отличаются как от городских, так и между собою.

Очистка сточных вод гораздо труднее и сложнее очистки питьевых вод. В зависимости от рода загрязняющих веществ, приходится применять в каждом отдельном случае специальные методы. Насколько различен может быть состав сточных вод, видно из следующего сопоставления: воды мыловаренных заводов содержат много жира, щелочей, глицерина; кожевенные заводы дают воды с большим содержанием извести, дубильных веществ, белковых веществ и другие; воды красочных фабрик содержат остатки красок и протрав, а последние часто бывают очень ядовиты.

Существует несколько способов очистки сточных вод. Наиболее часто применяется способ полей орошения и биологических фильтров.

Первая обработка, которой подвергаются сточные воды, будет отстаивание.

Назначение этой операции — освобождение от взвешенных частиц и органических веществ, способных загнивать. Для отстаивания применяют особые более или менее сложные устройства, так называемые отстойники и септик-танки (гнилостные отстойники). Вода в отстойниках или стоит некоторое время в покое, а потом спускается, или же медленно протекает через них.

Рисунок 3. Отстойник для очистки воды.

Органические вещества под влиянием гнилостных микроорганизмов разрушаются, причем образуются газы, которые в хорошо устроенных очистных установках отводятся в топки, где они сгорают.

Изображенный на рисунке 3 отстойник состоит из колодца, где осаждаются наиболее крупные взвешенные частицы. Дно колодца сделано под небольшим уклоном, вода идет слева направо, постепенно отлагая по дну взвешенные частицы.

Вода, пройдя гнилостный отстойник, где она находится 1—2 суток, больше неспособна к загниванию; она отстоялась от мути и поступает на окислительные биологические фильтры или поля орошения, где происходит окончательная очистка. Поля орошения являются самым дешевым способом, но они осуществимы лишь при наличии больших свободных участков земли и притом участков с неглинистой почвой. Лучший грунт для устройства полей орошения — песчаник: в этом случае не требуется укладок дренажных труб 3). Обычно поля орошения делаются с очень небольшим уклоном в сторону стенания жидкости; распределение вод по полю производится при помощи канавок. Вода, просачиваясь сквозь почву, прежде всего фильтруется и затем, так как в почве всегда имеются микроорганизмы, подвергается действию бактерий, которые обладают свойством окислять имеющиеся в воде органические вещества. На полях, на глубине не менее 1,2 метров кладут дренажные трубы в которые собирается вода, очищенная настолько, что она может считаться безвредной. По этим трубам она стекает в реку или ручей. Производительность полей орошения для разных вод различна; так, для городских отбросов она колеблется в зависимости от состава вод и характера почвы от 30 до 100 м³ в день на 1 гектар.

Биологический способ очистки сточных вод в общих чертах сводится к тем же приемам, как и очистка питьевых. Фильтры применяются как контактные, так и непрерыг недействующие; иногда для увеличения производительности фильтров их устраивают с приспособлением для продувки воздуха через очищаемые воды.

3) Дренажными трубами называются каналы, проложенные в земле и заполненные хворостом. По этим каналам вода отводится из почвы в реки и другие водоприемники.