Проблема очистки воды

М.А.АЛЕКСАНДРОВА,
учитель химии школы № 81
(Москва)

Проблема очистки воды
8 класс
Темы, связанные с водой, – основные в курсе неорганической химии, т. к. вода участвует во многих реакциях, часто является их продуктом или растворителем многих веществ, т. е. средой протекания реакций. Кроме того, вода – самое ценное вещество на планете Земля, необходимое для жизни.
Учитывая огромное значение воды для жизнедеятельности человека, хочу обратить внимание на способы очистки воды от разных видов загрязнений. Знакомство с ними происходит постепенно, поэтому таких уроков должно быть несколько: «Проблема очистки воды» (8-й класс); очистка от неорганических загрязнителей в темах «Жесткость воды» или «Металлы» (9-й класс); очистка от органических загрязнителей в темах «Нефть», «ПАВ» (10–11-й классы).

Цели. Обобщить знания о воде, полученные ранее в курсе природоведения и географии. Формировать умение рассуждать, прогнозировать результаты воздействия деятельности человека на живую природу. Рассмотреть два способа очистки воды: применяемый человеком и существующий в природе.
Оборудование и материалы. Рисунок «Увеличение годового расхода воды», схемы «Основные производства, загрязняющие природные водоемы», «Оборотное водоснабжение с повторным использованием очистных сточных вод», «Очистные сооружения».
На столах: пластиковые бутылки (одна – с плоским дном), ножницы, фломастер, промытый гравий и мелкий речной песок, бутылка с мутной водой, линейка, прозрачный полиэтиленовый пакет, резиновое кольцо, белый картон, простые карандаши, ручка с черными чернилами.

ХОД УРОКА

Учитель. Вспомните, в каком виде может находиться вода на планете Земля?
Ученик. Вода бывает атмосферной, подземной, поверхностной, в составе сложных минералов.
Учитель. Где используется вода?
Ученик. Для питья, хозяйственных и технических целей, поливки, охлаждения, лечения.
Учитель. Как вы думаете, какие требования предъявляются к воде, используемой в разных областях человеческой деятельности? Рассмотрим кратко эти требования.
Ученик. Питьевая вода, используемая в пищевой отрасли промышленности, не должна содержать легко разлагающиеся органические вещества, наличие солей – минимальное; для пивоваренного производства необходимо полное освобождение от сульфата кальция, для винокуренного – освобождение от хлоридов кальция и магния.
Хозяйственная вода, используемая в паросиловом хозяйстве, должна иметь возможно меньшую общую жесткость в пределах 0,17–0,64 мг/л, меньше содержать кремниевой кислоты, в ней должны отсутствовать масла, кислород и углекислый газ, свободные кислоты, хлорид ртути(II).
Вода, используемая для охлажения (элементов конструкций, жидких и газообразных продуктов в холодильниках и конденсаторах), должна иметь возможно более низкую температуру, невысокую жесткость, возможно меньшее содержание органических веществ.
Вода для поливки (огородов, садов) не должна содержать солей более 1,5 г/л (иначе растения плохо растут).
Вода, используемая для различых производств:
кожевенное производство – отсутствие гнилостных бактерий и грибов;
производство искусственного волокна – низкая жесткость 0,17–0,64 мг/л, содержание кислорода не более 2 мг/л;
отделка натурального хлопчатобумажного волокна – отсутствие железа и органических веществ.
Учитель. Посмотрим, как возрастает потребность человечества в воде (рис. 1). Потребность в воде, причем не просто в воде, а достаточно чистой, у человечества все время растет. Откуда взять чистую воду? Можно ли использовать воду, которая уже побывала в производстве?

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 1.
Увеличение годового расхода воды


Чистой воды на Земле почти нет. Производства, загрязняющие воду, – те самые основные производства, без которых человечество уже не может существовать (рис. 2). Вот и возникает проблема: загрязняют воду многие предприятия, которым необходима достаточно чистая вода. Что же делать?

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 2.
Основные производства,
загрязняющие природные водоемы


На сегодняшний день наиболее реальны два пути решения проблемы:

бережное расходование очищенной воды;
безотходное производство (очистка сточных вод и повторное их использование в условиях того же производства).

Вы никогда не задумывались, сколько труда надо затратить для очистки воды, чтобы можно было открыть водопроводный кран и без риска для здоровья просто выпить стакан воды?

Очистка речной воды включает несколько стадий:

удаление грубодисперсных веществ (отстаивание, фильтрация);
коагулирование – укрупнение частиц с целью ускорить их осаждение (удаление мелкодисперсной взвеси);
обеззараживание с целью удалить патогенные микроорганизмы (хлорирование, озонирование, применение ионов серебра);
стабилизация воды (удаление веществ, вызывающих коррозию металла и бетона);
дегазация (удаление углекислого газа, кислорода, сероводорода);
дезодорация (удаление запахов);
умягчение и обессоливание;
перевод временной жесткости в постоянную;
опреснение (дистилляция, вымораживание, ионнообменный метод);
корректирование содержания железа, марганца, кремниевой кислоты;
очистка от радиоактивных веществ.

Такую очистку проходит вода, которую используют для хозяйственных нужд и питья. Для промышленных целей необязательна такая степень очистки. Однако очень важно, чтобы сточные воды любого предприятия не наносили вреда окружающей среде.
Наиболее эффективный путь защиты водоемов от загрязнения – безотходное производство, когда отходы одной ступени производства используются как сырье для другой. Однако пока не существует универсальной бессточной системы, пригодной для различных отраслей народного хозяйства.
Наибольшее распространение получила очистка сточных вод, из которых, используя современные методы, можно удалить различные примеси на 95–96%. Часто этого недостаточно, но для дальнейшей очистки воды необходимо строить дорогие очистные сооружения, что экономически невыгодно. Сточные воды многих предприятий сложно, дорого, а иногда невозможно очистить до такой степени, чтобы они стали безвредными для растений, животных и человека, поэтому их очищают частично и используют в замкнутых оборотных системах, как показано на схеме (рис. 3).

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис. 3.
Оборотное водоснабжение с
повторным использованием
очищенных сточных вод:
1 – дозатор;
2 – фильтровальная и насосная станции;
3 – градирни для охлаждения оборотной
воды атмосферным воздухом;
4 – станция очистки сточных вод;
5 – станция биохимической очистки;
6 – отстойники


На этой схеме (см. рис. 3) показана станция очистки сточных вод (поз. 4). А как она устроена? Схема таких очистных сооружений приведена на другой схеме (рис. 4).
В зависимости от степени и характера загрязнения используют различные методы очистки сточных вод: механические, химические и биологические.
Механические методы – удаление грубых примесей осуществляется с помощью решеток, сит, фильтров, отстойников, нефтеловушек. Таким образом удается избавиться от нерастворимых примесей из бытовых стоков – до 60%, из промышленных – до 95%.
Химические методы – добавление реагентов для образования осадков из растворов.
Биологические методы бывают двух видов.

В искусственных условиях – это биофильтры, состоящие из кирпича или бетона (главное – пористость материала). На них нанесена пленка из бактерий и простейших, которые в процессе жизнедеятельности поедают и разлагают органические вещества.
В естественных условиях – это специальные поля орошения или поля фильтрации. Создается сеть каналов и площадок, окруженных земляными валами. Каналы и площадки периодически заполняются сточными водами. Под действием солнечного света, воздуха, микроорганизмов воды очищаются и просачиваются в грунт. На поверхности площадок образуется перегной. Через несколько лет после прекращения слива сточных вод поля фильтрации используют для выращивания трав, кормов, овощей.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Рис.4.
Очистные сооружения

Практическая работа
«Самоочищение воды в естественных условиях»

Степень очистки воды с помощью фильтров, имитирующих дно водоемов и водостоков, можно продемонстрировать, определяя прозрачность воды до и после фильтрации. Определение прозрачности основано на поглощении света взвешенными частицами.

Цель работы
Показать, как природная вода способна самоочищаться в результате физического процесса – фильтрации.
Подготовка к работе.
1. Для изготовления фильтра разрежьте бутылку на две части на высоте трети от дна.
2. Проделайте отверстие в крышке. Переверните верхнюю часть бутылки и вставьте ее в нижнюю часть.
3. Для определения прозрачности воды отрежьте верх пластиковой бутылки так, чтобы в оставшуюся часть можно было налить воды на высоту не менее 25 см. Сделайте риску или кольцевую отметку на этом уровне.
4. Для шкалы прозрачности вырежьте круг из картона по размеру дна бутылки. Напишите на нем по кругу цифры 1, 2, 3 и т. п. одинакового размера, но с постепенным увеличением насыщенности цвета. Цифра «1» должна быть менее яркой, а последующие – все более яркими.

ХОД РАБОТЫ
Очистка воды при фильтрации через породы,
слагающие речное дно

1. Поместите на дно перевернутой верхней части бутылки крупный гравий так, чтобы песок, который будет насыпан сверху гравия, не смывался в нижний сосуд.
2. На крупный гравий насыпьте мелкий, затем – речной песок. На песок положите небольшой камень.
3. На камень налейте мутной воды так, чтобы она просачивалась сквозь песок и гравий и тоненькой струйкой стекала в нижнюю часть бутылки.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Вопросы

Что происходит с водой в процессе фильтрации?
Может ли гравий сам по себе обеспечить такой эффект?
Определение прозрачности воды

1. Вставьте бутылку в полиэтиленовый пакет. Подложите картон шкалой вверх под дно бутылки и закрепите пакет на бутылке прозрачным резиновым кольцом.
2. Налейте в бутылку до метки природную мутную воду, затем прозрачную (профильтрованную).
3. Посмотрите на шкалу сверху сквозь слой воды и определите, какие цифры видны. Чем прозрачнее вода, тем больше видно цифр.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Выводы урока
Запасы воды на Земле значительны, но остро встала проблема чистой воды из-за ее загрязнения.
На сегодняшний день есть два пути решения этой проблемы: бережное отношение, учет и создание безотходных технологий.
Методы очистки воды выбирают в зависимости от загрязняющих веществ и требований, предъявляемых разными производствами при использовании природной воды. (Здесь можно логически перекинуть мостик на тему в 9-м классе «Жесткость воды».)
Природная вода обладает способностью к самоочищению – восстановлению первоначальных свойств, в результате естественных биологических, химических и физических процессов. К физическим процессам относится фильтрация, происходящая, в частности, в породах, слагающих речное дно. На очистных сооружениях фильтрация составляет одну из стадий очистки сточных вод.
ЛИТЕРАТУРА

Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа, 1979.
Чернова Н.М., Галушин В.М., Константинов В.М. Основы экологии. 10–11 классы. М.: Дрофа, 1999.
Вестник АсЭкО, 1997, вып. 1–2.