Лекция 7. Улучшение качества воды

Вода – химическое соединение водорода и кислорода Чистая вода бесцветна и не имеет запаха и вкуса. Природная вода по своему составу весьма разнообразна. В ее состав входят соли (преимущественно в виде ионов, молекул и комплексов), органические вещества (в молекулярных соединениях и в коллоидном состоянии), газы (в виде молекул и гидратированных соединений), диспергированные примеси, гидробионты (планктон, бентос, нейстон, пагон), бактерии, вирусы.

Под качеством природной воды понимают совокупность ее свойств, обусловленных характером содержащихся в воде примесей. По своей природе примеси природных вод делятся на органические и неорганические. Отдельную группу примесей составляют микрофлора и микрофауна природных водоемов. Согласно классификации акад. Л. А. Кульского, примеси природных вод в зависимости от их физико-химического состояния, в значительной степени определяемого дисперсностью, делятся на четыре группы.

Первая группа примесей со степенью дисперсности 10-3...10-5 см представлена взвешенными в воде частицами, образующими суспензии и эмульсии. Это частицы глины и песка, малорастворимые гидроксиды металлов, иловые частицы, эмульсии минеральных масел, нефтепродукты, микроорганизмы, обитающие в толще воды, в том числе бактерии.

Совокупность этих примесей обусловливает мутность воды. От химического, гидробиологического и бактериологического состава примесей первой группы зависит возможность использования воды для водоснабжения. Мутность природной воды может существенно возрастать при массовом развитии некоторых гидробионтов, в частности водорослей.

Вторую группу примесей составляют коллоидно-растворенные примеси и высокомолекулярные органические вещества со степенью дисперсности 10-5...10-6 см. В основном это минеральные и органоминеральные частицы почвы и грунта, коллоидные соединения железа, а также гумус – продукт биохимического разложения растительных и животных остатков. Гумусовые вещества, относящиеся ко второй группе примесей, представлены гуминовыми и фульвокислотами, образующими коллоидные растворы и придающими воде цветность. Коллоидные примеси второй группы увеличивают мутность воды.

К третьей группе примесей относятся молекулярно-растворенные вещества со степенью дисперсности 10-6...10-7 см. К этой же группе отнесены вирусы и бактериофаги.

К растворенным органическим соединениям естественного происхождения относятся продукты жизнедеятельности и разложения бактерий, актиномицетов, плесеней, водорослей, макрофитов и других обитателей водной среды, а также растворенные фульвокислоты. Различные источники загрязнения существенно повышают концентрацию органических веществ в водоеме. Продукты жизнедеятельности гидробионтов при массовом их развитии придают воде различные запахи и привкусы, борьба с которыми представляет значительные трудности. К этой же группе примесей относятся растворенные в воде газы: кислород, диоксид углерода.

Растворенный кислород играет важную роль в биохимических процессах, происходящих в водоеме. Диоксид углерода образуется при окислении органических веществ микроорганизмами и частично переходит в гидросферу из атмосферы. Растворенная углекислота потребляется фотосинтетиками в качестве источника углерода. В воде некоторых загрязненных поверхностных водоемов может присутствовать растворенный сероводород – продукт жизнедеятельности аммонифицирующих и сульфатвосстанавливающих бактерий.

Четвертую группу примесей составляют вещества, диссоциирующие в воде на ионы. Степень дисперсности их менее 10-7 см. Это в основном различные соли, суммарная концентрация которых определяет степень минерализации воды. Общее ОГЛАВЛЕНИЕ солей в воде большинства природных источников достаточно точно определяется катионами Са2+, Mg2+, Na+, К+ и анионами НCO3-, SО42-, Cl-. Однако природные воды содержат и массу других элементов: железо, марганец, фосфор, азот и т.д., которые наряду с основными катионами и анионами обеспечивают микроорганизмам полноценное минеральное питание.

Поверхностные воды характеризуются большим ОГЛАВЛЕНИЕм нерастворимых веществ, в частности органических соединений. Помимо частиц песка и глины в них имеются лесс, илистые вещества, различные карбонатные соединения, гидроксиды алюминия, марганца и железа, высокомолекулярные органические примеси гумусового происхождения, иногда в виде органоминеральных комплексов, планктон и др.

Подземные воды не содержат большого количества органических веществ, но часто насыщены минеральными солями, а иногда и газами (H2S, СО2, СН4). При гидравлической связи между поверхностными и подземными водами последние отличаются повышенной окисляемостью. Наблюдается прямая зависимость между глубиной залегания подземных вод и степенью их минерализации. Подземные воды часто характеризуются значительной жесткостью и повышенным ОГЛАВЛЕНИЕм железа, марганца, фтора. Таким образом, различные примеси в природной воде образуют с ней сложные гомогенные и гетерогенные системы.

Состав воды оценивают физическими, химическими и санитарно-биологическими показателями.

К физическим показателям относят температуру, ОГЛАВЛЕНИЕ взвешенных веществ, цветность, запахи и привкусы.

Температура воды подземных источников характеризуется постоянством (8... 12 °С). Температура воды поверхностных источников меняется по сезонам года (0,1...30 °С) и зависит от поступления в них подземных вод, а также сбросов использованной воды.

Прозрачность и мутность характеризуют наличие в воде взвешенных веществ (частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей и др.).

Цветность воды обусловлена присутствием в воде гумусовых и дубильных веществ, белково- и углеводоподобных соединений, жиров, органических кислот и других органических соединений, входящих в состав живых и растительных организмов, населяющих воду и являющихся продуктами их жизнедеятельности или распада.

Цветность воды измеряют в градусах платиново-кобальтовой шкалы. Для питьевой воды она не должна превышать 20°.

Запахи и привкусы природных вод могут быть естественного (присутствие железа, марганца, сероводорода) или искусственного (сброс промышленных стоков) происхождения. Различают четыре основных вкуса воды: соленый, горький, сладкий и кислый.

К запахам естественного происхождения относят землистый, рыбный, гнилостный, сероводородный, ароматический, болотный, глинистый, тинистый и др. К запахам искусственного происхождения относят хлорный, камфорный, аптечный, фенольный, хлорфенольный, запах нефтепродуктов.

Интенсивность и характер запахов и привкусов воды определяют органолептически, т.е. с помощью органов чувств по пятибалльной шкале.

Общий, сухой, прокаленный остаток (в мг/л или мг • экв/л) – понятия, позволяющие судить о количестве солей и концентрации примесей, содержащихся в природных водах. Общий или плотный остаток характеризует ОГЛАВЛЕНИЕ в воде в основном примесей неорганического происхождения. Он представляет собой остаток от выпаривания известного объема нефильтрованной воды, который затем высушивают при 110 °С до постоянной массы.

Сухой или растворенный остаток характеризует ОГЛАВЛЕНИЕ минеральных солей и нелетучих органических соединений. Он получается при выпаривании известного объема определяемой воды, предварительно профильтрованной через бумажный фильтр.

Прокаленный остаток характеризует ОГЛАВЛЕНИЕ в испытуемой воде неорганических примесей. Он определяется путем выпаривания известного объема воды, прокаливания полученного остатка при температуре 800 °С и его взвешивании. Различают прокаленный растворенный остаток и прокаленный общий остаток. В первом случае пробу воды перед выпариванием фильтруют через бумажный фильтр, а во втором – нет.

Химический состав воды характеризуется: общим соле- ОГЛАВЛЕНИЕм, ионным составом, жесткостью, щелочностью, окисляемостью, активной концентрацией водородных ионов (pH), сухим остатком, ОГЛАВЛЕНИЕм растворенного кислорода, свободной углекислоты, сероводорода, активного хлора.

СолеОГЛАВЛЕНИЕ воды оценивают по сухому остатку (в мг/л): ультрапресные до 100; пресные – 100...1000; слабосоленые – 1000...3000; соленые – 3000...10 000; сильносоленые – 10 000...50 000; рассолы – 50 000...300 000; ультрарассолы – более 300 000.

Хлориды и сульфаты (в мг/л или мг • экв/л) благодаря своей высокой растворимости присутствуют во всех природных водах обычно в виде натриевых, кальциевых и магниевых солей. Растворимость поваренной соли составляет 360 г/л, а хлористого магния – 545 г/л. В природных водах может быть от 60 до 100 мг/л сульфатионов. При отсутствии в воде кислорода сульфатионы под действием сульфатредукцирующих бактерий восстанавливаются до сероводорода.

Жесткость воды обусловлена наличием в ней солей кальция и магния. Жесткость воды выражают в миллиграмм-эквивалент на литр (1 мг • экв/л жесткости или 12,16 мг/л ионов магния). Различают карбонатную, некарбонатную и общую жесткость воды.

Карбонатная жесткость обусловлена ОГЛАВЛЕНИЕм в воде карбонатных и бикарбонатных солей кальция и магния. При кипячении воды она легко устраняется, так как бикарбонаты распадаются с образованием углекислоты и декантацией карбоната кальция и гидроксида магния.

Некарбонатная жесткость обусловлена кальциевыми и магниевыми солями серной, соляной, кремниевой и азотной кислот. Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости определяет общую.

Щелочность воды (в мг • экв/л) определяется суммой содержащихся в воде гидроксильных ионов и анионов слабых кислот – угольной, органических. Различают бикарбо- натную, карбонатную и гидратную щелочность, а их сумма определяет общую щелочность воды. Щелочные металлы (в мг/л) в природных водах обычно представлены ионами калия и натрия с преобладанием последнего.

Окисляемость воды (т.е. количество кислорода в миллиграммах на литр, эквивалентное расходу окислителя, необходимого для окисления примесей в данном объеме) обусловливается присутствием органических и некоторых легкоокисляющихся неорганических примесей. В зависимости от применяемого окислителя различают перманганатную и бихроматную окисляемость. При этом окисляемость в 1 мг О2/л соответствует окисляемости 0,253 мг/л КМnО4. Для питьевой воды окисляемость не лимитируется.

Железо и марганец присутствуют в природных водах в формах, зависящих от величины pH и окислительно-восстановительного потенциала. Так, железо может находиться в формах двух- и трехвалентных ионов, органических и неорганических коллоидов, комплексных соединений, тонкодисперсной взвеси, сульфида железа, гидроксидов железа. В подземных водах при отсутствии кислорода железо и марганец встречаются обычно в форме двухвалентных солей. В поверхностных водах железо и марганец встречаются в форме органических комплексных соединений, коллоидов или тонкодисперсных взвесей. Обычно ОГЛАВЛЕНИЕ железа и марганца в природных водах не превышает нескольких десятков миллиграмм на литр, а в шахтных водах достигает нескольких сотен миллиграмм на литр и более. ОГЛАВЛЕНИЕ железа в питьевой воде не должно превышать 0,3 мг/л, а марганца – 0,1 мг/л.

Активная реакция воды является показателем ее щелочности или кислотности, количественно она характеризуется концентрацией водородных ионов.

На практике активную реакцию воды выражают водородным показателем pH, являющимся отрицательным десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, т.е. pH = -lg[H+]. Для нейтральной воды pH = 7, для кислой – меньше 7 и для щелочной – больше 7. Природные воды по величине pH можно классифицировать на кислые – pH = 1...3, слабокислые – pH = 4...6, нейтральные – pH = 7; слабощелочные – pH = 8...10, щелочные – pH = 11...14. Активная реакция природных вод обычно варьируется в пределах 6,5...8,5, что соответствует лимитам питьевой воды.

Азотсодержащие вещества (ионы аммония, нитритные и нитратные) образуются в воде в результате восстановления нитритов и нитратов железа сероводородом, гумусовыми веществами либо в результате разложения белковых соединений, вносимых в водоем со сточными водами. В последнем случае вода ненадежна в санитарном отношении. В артезианских водах ОГЛАВЛЕНИЕ нитритов достигает десятых долей миллиграмм на литр, а в поверхностных водах – до тысячных долей миллиграмм на литр.

Кремний присутствует в природных водах в форме органических и минеральных соединений. В воде поверхностных источников содержится от десятых долей до нескольких миллиграмм на литр кремния, а в подземных водах оно достигает десятков миллиграмм на литр.

Соединения фосфора встречаются в природных водах в виде суспендированных частиц минерального и органического происхождения, в виде ионов ортофосфорной кислоты для сложного органического комплекса. В природных водах соединения фосфора присутствуют в малых количествах, но существенно влияют на водную растительность. ОГЛАВЛЕНИЕ соединений фосфора в питьевой воде не регламентировано.

Фтора в природных водах содержится до 18 мг/л и более. Однако подавляющее большинство источников централизованного водоснабжения в нашей стране характеризуется ОГЛАВЛЕНИЕм фтор-иона до 0,5 мг/л. Фтор – активный в биологическом отношении микроэлемент, количество которого в питьевой воде во избежание кариеса или флюороза должно быть в пределах 0,7...1,5 мг/л.

Иод в природных водах присутствует в ничтожных количествах. Он является очень важным биологическим микроэлементом, ОГЛАВЛЕНИЕ которого в питьевой воде во избежание эндемического зоба не должно быть менее 10-8 мг/л.

Токсические вещества – мышьяк, стронций, бериллий и др., а также радиоактивные вещества – уран, радий – обычно попадают в водоемы со сбросом сточных вод.

Растворенные в воде газы – кислород, углекислота, сероводород, метан и азот – оказывают влияние на качество воды. Так, углекислота, сероводород, кислород придают воде при определенных условиях коррозионные свойства по отношению к металлам и бетонам.

Сероводород в природных водах встречается органического (продукт распада органических соединений) и неорганического (растворение минеральных солей – серного колчедана, гипса и др.) происхождения. Сероводород в природных слоях поверхностных вод присутствует в незначительных количествах. В подземных водах его количество достигает нескольких десятков миллиграмм на литр. Присутствие сероводорода в воде придает ей неприятный запах, способствует коррозии металла и может вызвать зарастание трубопроводов в результате интенсивного развития серобактерий.

Кислород попадает в воду при ее контакте с воздухом. Его ОГЛАВЛЕНИЕ зависит от температуры и давления. В артезианских водах кислород не встречается, а в поверхностных его концентрации довольно велики. В поверхностных водах ОГЛАВЛЕНИЕ кислорода уменьшается при наличии организмов брожения, гниения органических остатков и т.п. Резкое снижение содержания кислорода в воде указывает на ее загрязнение.

Азот в природные воды проникает из воздуха при разложении органических остатков, а также при восстановлении соединений азота динитрофицирующими бактериями. Образующийся в воде в процессе гниения растений аммиак существенно влияет на технологию хлорирования воды.

Метан присутствует в природных водах, используемых для водоснабжения, как правило, в незначительных количествах.

Гидробионты, населяющие природные воды, в процессе жизнедеятельности влияют не только на состав окружающей водной среды, но и на качество воды.

На процессы формирования и самоочищения воды гидратация оказывает значительное влияние, так как многие ее представители используют растворенные органические вещества, некоторые животные-фильтраторы питаются бактериями, водорослями и т.п.

Санитарно-бактериологическим показателем качества воды является коли-титр или коли-индекс, а также общее число содержащихся в воде бактерий. Бактерии и вирусы из числа патогенных, т.е. паразитов, живущих на живом субстрате, развивающихся в воде, могут вызвать заболевания брюшным тифом, паратифом, дизентерией, бруцеллезом, инфекционным гепатитом, острым гастроэнтеритом, сибирской язвой, холерой, полиомиелитом, туляремией, конъюнктивитом и т.д.

В связи с тем что при биологическом анализе воды определение патогенных бактерий затруднено, бактериологические определения сводятся к нахождению общего числа бактерий в 1 мл воды, растущих при 37 °С, и кишечной палочки – бактерии Coli. Наличие последней имеет индикаторные функции, т.е. свидетельствует о загрязнении воды выделениями людей и животных и т.п. Минимальный объем испытуемой воды (в мл), приходящийся на одну кишечную палочку, называют коли-титром, а количество кишечных палочек в 1 л воды – коли-индексом.

Хозяйственно-питьевая вода должна отвечать требованиям качества, которые регламентированы ГОСТ 2874–82 "Вода питьевая" и Санитарными правилами и нормами охраны поверхностных вод от загрязнения (СанПиН № 4630-88).