Охрана вод часть 1

21

жизнедеятельность нитрифицирующих микроорганизмов и при этом совсем не влияют на микроорганизмы, осуществляющие основной процесс биохимического окисления. Это этилентиокарбамид, амилтиокарбамид и 2-хлор-6-(трихлорметил)-пиридин (ТСМП). При их введении в раствор нитрификация не наступает, и процесс идёт до тех пор, пока в растворе не останутся лишь те вещества, которые совсем не поддаются биохимическому окислению.

1.4. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТОЧНЫХ ВОД

1.4.1. Плотность

Плотность – отношение массы жидкости к занимаемому ею объёму

ρ = M V .

Наибольшая плотность пресной воды будет при 40С

ρ =1000кг/ м3 (102кг с2 / м4 ).

Плотность чистой воды при температуре 150С и атмосферном давлении составляет 999 кг/м3. Плотность природной воды зависит от содержания растворенных веществ. Например, морская вода с концентрацией солей 35 г/л имеет среднюю плотность 1028,1 кг/м3 при 00С (изменение солесодержания на 1 г/л изменяет плотность на 0,8 кг/м3).

Удельный вес (Н/м3) – отношение веса жидкости к занимаемому ею объему

γ= GV ,

γ= ρ g .

Относительный вес (δ) – безразмерная величина, равная отношению веса жидкости к весу дистиллированной воды, взятой в том же объеме при

22

температуре 40С. Относительный вес зависит от температуры и давления. Относительный вес бытовых сточных вод при содержании в них взвешен-

ных веществ в пределах 100≤В≤1500 мг/л и около 75% органических веществ может быть определен по формуле Н.Ф. Федорова

δ=1,0002+7,4.10-7В,

где В – содержание взвешенных веществ в мг/л.

При увеличении количества органических веществ эта формула мо-

жет давать отклонения в сторону уменьшения значений δ, а при увеличе-

нии количества минеральных веществ – в сторону повышения δ. Плотность гидросмеси зависит от соотношения её твёрдых и жидких

компонентов (Т/Ж) и может быть выражена через объёмную концентрацию S0, представляющую собой отношение объёма твёрдых частиц в плотном теле к объёму гидросмеси

ρсм=ρв+S0(ρт-ρв)

или через массовую концентрацию Sм, представляющую собой отношение массы твёрдого вещества к массе всего объёма гидросмеси

ρсм(1- Sм + Sм ρв/ρт)=ρв.

С учётом данных формул соотношение компонентов гидросмеси Т/Ж выражается следующей зависимостью:

Т/Ж= S0 /(1- S0).

1.4.2. Сжимаемость

Способность жидкости обратимым образом изменять свой объём под действием всестороннего давления называется сжимаемостью. Сжимаемость характеризуется коэффициентом объёмного сжатия

βр=∆ρ/(ρ∆р)=-∆V/( V∆р).

23

Величина, обратная коэффициенту объёмного сжатия, называется модулем объёмной упругости жидкости

Еж=1/βр.=ρ∆р/∆ρ.

Модуль объёмной упругости существенно зависит от количества газа, содержащегося в этой жидкости

Е0/Еж =1+ϕopаEo/p2=1+ϕmaxγRTE0/p2,

где ϕ0 и ϕmax - объемное и массовое содержание нерастворенного газа в жидкости; Р - давление в жидкости;

Ра – атмосферное давление; Е0 – модуль объемной упругости чистой жидкости, не содержащей нерастворенного газа.

Тепловое расширение представляет собой изменение объема тел при нагревании. Величина теплового расширения характеризуется температур-

ным коэффициентом объемного расширения βt, который равен приращению единицы объема тела при нагревании на 10С

βt=∆V/(V∆t)=-∆ρ/(ρ∆t).

1.4.3. Вязкость

Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление относительному движению (сдвигу) ее частиц.

Все жидкости подразделяются на три вида: однородные (ньютоновские), структурные и неоднородные (неньютоновские).

Для ньютоновских жидкостей справедлив закон Ньютона о внутреннем трении в жидкостях. Вязкость этих жидкостей оценивается динамическим коэффициентом вязкости

η=τ/(du/dn),

24

где τ - касательное напряжение на элементарной площадке, лежащей на поверхности соприкасающихся слоев движущейся жидкости;

du/dn - производная скорости U по нормам n к рассматриваемым слоям жидкости.

Динамический коэффициент вязкости измеряется в Па·с (Нс/ м2), или в пуазах:

1П=100сП=0,1Па·с.

Отношение η к плотности жидкости называется кинематическим коэффициентом вязкости и измеряется в м2/с:

ν=η/ρ.

Часто встречаются другие единицы измерения ν, так называемые стоксы:

1м2/с=104Ст.

С повышением температуры вязкость уменьшается. Для чистой пресной воды зависимость вязкости от температуры может быть выражена формулой

ν =1775 10-9/(1+0,0337t + 0,000221t2)≈νo(1+0,0158t)-2,

где t - температура, 0С

νo - вязкость воды при 00С, равная 179 10-8 м2/с.

Давление также оказывает воздействие на вязкость воды. При умеренном давлении и низкой температуре вода становится менее вязкой, чем другие жидкости. Это объясняется разрушением молекулярной структуры воды. При увеличении давления вода принимает структуру жидкости, на которую внешние воздействия не оказывают влияния; в этом случае вязкость воды начинает возрастать с повышением давления.

При наличии в жидкости твердой взвеси, она характеризуется эф-

фективной вязкостью η, отличной от вязкости основной жидкости η0:

η=η0(1+2,5S+98S1,5),

25

где S - консистенция гидросмеси, т.е. долевое содержание в ней твердых частиц (отношение мутности смеси к плотности мелкодисперсной фазы).

Кинематическая вязкость водного потока, насыщенного взвешенными веществами (60% частиц размером менее 0,05 мм и 0,5% - более 0,25

мм), увеличивается в зависимости от содержания взвеси В (г/л) в β раз

(табл. 1.2).

Таблица 1.2

Зависимость β от содержания взвешенных веществ

Вязкость бытовых сточных вод ν (см2/с), содержащих взвешенные вещества В≤600 мг/л, из которых 70-80% - органические, при температуре t=2÷250С может быть определена по формуле Н.Ф. Федорова

ν=νв+ 0,0002 Вt-2,

где νв - кинематический коэффициент вязкости пресной воды.

Осадки сточных вод при определенных условиях, в случае их тонко - дисперсности, в состоянии покоя приобретают студнеобразную структуру. Их части называют гелями. Для нарушения структуры гелей необходимо приложить какое-то начальное усилие. Гели являются аномальными или структурными жидкостями.

Наиболее полно деформационное поведение аномальных жидкостей описывает формула Шведова-Бингама

τ = τ0+η*du/dn,

где τ - касательное напряжение;

τ0 – начальное напряжение сдвига, при котором жидкость приходит в движение;

η* - коэффициент структурной вязкости.

26

Величина τ0 в большей степени зависит от времени нахождения аномальной жидкости в покое.

Вязкость аномальных жидкостей, входящую в формулу Ньютона, на-

зывают пластической (или кажущейся) вязкостью ηпл.

Зависимость вязкости и начального напряжения сдвига осадка сточных вод от влажности представлена в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Зависимость вязкости и начального напряжения сдвига осадка сточных вод от влажности

1.4.4.Воздухо- и газосодержание

Вводе обычно содержатся растворённые газы: кислород, азот, углекислый газ, сероводород, метан и т.д. Количество газа, растворённого в воде, зависит от её температуры парциального давления газов р* и концентрации в ней солей. Под парциальным давлением принято понимать часть общего давления в газовой смеси, обусловленную данным газом.

Растворимость газа в жидкости подчиняется закону Генри, по которому количество газа, способного растворяться, пропорционально коэф-

фициенту растворимости α каждого газа, концентрации Sr газа в газовой фазе и общему давлению р газовой фазы над водой. Объём растворяющегося газа будет равен

V=αSrp.

Растворимость газа обычно выражают коэффициентом Бунзена α, т.е. объёмом газа в мг (при 00С и 101323 Па), растворённого в 1 мл растворителя при данном давлении газа над жидкостью и данной температуре.

27

Умножая коэффициент Бунзена α на плотность газа при 00С, получим количество растворённого газа в единицах массы при данном давлении.

Масса растворённого газа изменяется пропорционально давлению жидкости, а объём этого газа практически не изменяется.

Ангидриды (CO2, SO2) и различные кислоты (HCl), растворяясь в воде, вступают в реакцию с ней. Поэтому коэффициент растворимости этих соединений намного выше, чем у других газов. Например, коэффициенты растворимости при 100С для N2=0,018; O2=0,038; CO2=0,194; H2S=3,39.

Растворимость газов в растворах солей уменьшается с увеличением концентрации соли согласно уравнению Сеченова

N′=N 10-кSэ,

где N′ и N - содержание газа в минирализованной и чистой воде;

Sэ - концентрация соли в растворе, выраженная в эквивалентной форме

(мг экв/л); к - коэффициент Сеченова (высаливания), зависящий от природы газа и

соли, температуры и давления.

1.4.5. Поверхностное натяжение

Любая поверхность раздела обладает свободной энергией, являющейся мерой работы, затрачиваемой на перемещение молекул из глубины жидкости на ее поверхность. Поверхностная энергия, приходящаяся на единицу площади, равна энергии, необходимой для растяжения поверхности. При этом работа будет совершаться против внутренних сил притяжения молекул. О наличии свободной энергии свидетельствует стремление жидкости самопроизвольно сокращаться. Такое же внутреннее притяжение действует на молекулы, составляющие поверхность твердого тела, которая остается неподвижной. Стремление поверхности к сокращению позволяет ввести понятие “поверхностного натяжения”. Оно представляет собой си-

28

лу, действующую по касательной к поверхности. При этом поверхностное натяжение, отнесенное к единице длины, равно поверхностной энергии, отнесенной к единице площади.

Чтобы отделить одну жидкость от другой жидкости, газа или твердого тела, необходимо преодолеть силу притяжения, действующую через поверхность раздела фаз на соприкасающуюся с жидкостью фазу. Для этого требуется совершить работу, равную сумме отдельно взятых поверхностных энергий за вычетом энергии, которой обладает поверхность раздела фаз.

Рассмотрим две не смачивающиеся соприкасающиеся жидкости

(рис. 1.4).

Рис. 1.4. Поверхность раздела двух несмешивающихся жидкостей

В данном случае работа разделения будет определяться

Wlalb=σlag+σlbg+σlalb,

где σlag - поверхностная энергия жидкости А в присутствии газа;

σlbg - поверхностная энергия жидкости В в присутствии газа;

σlalb - поверхностная энергия жидкости А в присутствии жидкости В. Если обе жидкости совершенно не смачиваются, то натяжение по-

верхности раздела между ними равно нулю или отрицательно. При этом молекулярные силы не облегчают разделения жидкостей. Наоборот, каждая жидкость притягивает молекулы другой жидкости с силой равной (или даже большей) силе притяжения собственных молекул. Следовательно, ра-

29

бота разделения равна или больше суммы двух отдельно взятых поверхностных энергий, и молекулы обеих жидкостей могут свободно перемешиваться. В этом случае

Wlalb≥σlag+σlbg.

В частном случае, когда А и В представляют собой одну и ту же жидкость, т.е. σlag=σlbg=σ и работа разделения равна

Wlalb=2σ.

Рассмотрим поверхность раздела жидкости и газа, соприкасающихся с поверхностью твердого тела (рис. 1.5).

σlg

Рис. 1.5. Граница раздела между жидкостью и газом на поверхности твердого тела

Работа разделения в этом случае

Wsl=σsg+σlg-σsl, (1)

где σsg - поверхностная энергия твёрдого тела в присутствии газа;

σlg - поверхностная энергия жидкости в присутствии газа;

σsl - поверхностная энергия твёрдого тела в присутствии твёрдого тела. Эта формула характеризует также притяжение жидкости к твёрдому

телу.

Если поверхностной энергии соответствует поверхностное натяжение, действующее вдоль поверхности раздела, то условием равновесия будет уравнение

σsg-σsl-σlgcosθ=0. (2)

30

Это условие должно удовлетворять предыдущему уравнению. Из совместного рассмотрения уравнений (1) и (2) получим

Wsl=σlgcosθ+σlg.

Анализируя последнее выражение, легко заметить, что при нулевом значении угла смачивания работа разделения будет определяться следующим образом:

Wsl=2σlg.

В этом случае адгезия (прилипание), т.е взаимодействие между приведёнными в контакт поверхностями конденсированных тел разной природы равна когезии (сцеплению), т.е. взаимодействию молекул, атомов, ионов внутри фазы (гомогенной части системы).

Если притяжение жидкости к твёрдой поверхности (т.е. адгезия) превосходит её собственную когезию, то углы смачивания также будут ну-

левыми. При θ=1800 адгезия равна нулю. В реальных условиях адгезия всегда существует, и угол смачивания всегда меньше 1800. Таким образом,

при θ=0 и θ=1800 наступает полное смачивание. Все промежуточные углы принадлежат неполному смачиванию. Согласно общепринятым определениям смачиваемости соответствуют углы смачивания находящиеся в интервале от 00 до 900, а несмачиваемости - от 900 до 1800.

При этом собственное притяжение жидкости равно

σlg+σlg=2σlg.

С поверхностным натяжением связан ряд физических поверхностных явлений:

•смачивание;

•образование капель и мыльных пузырей;

•сцепление (когезия) и прилипание (адгезия);

•распыление жидкости и конденсация.