Природные воды и требования, предъявляемые к их качеству

Природные воды и требования, предъявляемые к их качеству

• Характеристика источников водоснабжения
• Влияние примесей воды на ее качество
• Литература

Характеристика источников водоснабжения

Источниками водообеспечения централизованных систем водоснабжения являются подземные и поверхностные воды и атмосферные осадки. К подземным водам относят: подрусловые, грунтовые, межпластовые, артезианские, карстовые, шахтные. Шахтными называют подземные воды, проникающие в выработанное при добыче полезных ископаемых подземное пространство и проходящие через водоотлив шахты. Состав подземных вод определяется условиями их образования и залегания.

К поверхностным относят воды рек, озер, водохранилищ, прудов, каналов, морей. Их состав определяют почвенно-геологические условия; климатические, геоморфологические и антропогенные факторы.

К атмосферным водам относят осадки, выпадающие в виде дождя и снега, аккумулирующиеся в естественных или искусственных емкостях. Их состав определяется чистотой атмосферы, количеством; гидрогеологическими свойствами грунтов бассейна водосбора, способом их накопления и хранения; условиями, сопутствующими их выпадению.

Для технического водоснабжения промышленных предприятий возможно использование дочищенных сточных вод.

Подземные воды характеризуются обычно постоянством состава и температуры, значительной минерализацией, отсутствием минеральных взвесей, низким содержанием органических веществ, присутствием растворенных газов, значительной жесткостью, повышенным содержанием железа и марганца, высокой санитарной надежностью. Часто подземные воды имеют гидравлическую связь с поверхностными, что влечет за собой изменение их химического состава: повышается концентрация органических веществ, кремниевой кислоты; изменяется минерализация, появляется растворенный кислород. С возрастанием глубины залегания увеличивается степень минерализации воды. По О. А. Алекину подземные воды подразделяют:

по степени минерализации: пресные — до 1 г/л; солоноватые — 1−3 г/л; засоленные — 3−10 г/л; соленые — 10 — 50 г/л;

по величине рН: щелочные — 11−14; слабощелочные — 8−10; нейтральные — 7; слабокислые — 4−6; кислые — 1−3;

очень мягкие до 1,5

по общей жесткости

мягкие — 1,5−3; умеренно жесткие — 3−6; жесткие — 6−9; очень жесткие — свыше 9.

Пресные поверхностные воды отличаются значительными колебаниями их состава и температуры в течение года, что объясняется характером их питания (поверхностное и подземное). Они характеризуются наличием диспергированных минеральных, коллоидных и растворенных веществ. СНиП 2.04.02−84 дает следующие классификации поверхностных вод:

по минерализации: очень малой — до 100 мг/л; малой — 100−200 мг/л; средней — 200−500 мг/л; повышенной — 500 — 1000 мг/л и высокой — свыше 1000 мг/л;

по наличию гумусовых (в т. ч. фульвокислот): малоцветные — до 35 град; средней цветности — 35−120 град; высокой цветности — свыше 120 град;

по количеству взвешенных веществ: маломутные — до 50 мг/л; средней мутности — 50−250 мг/л; мутные — 250 — 1500 мг/л; высокомутные — свыше 1500 мг/л;

по степени бактериальной загрязненности (коли-индекс): сильно загрязненные — свыше 10 000; загрязненные — более 1000; слабо загрязненные — свыше 100; удовлетворительные — более 10; хорошие — до 3.

В зависимости от категории системы централизованного водоснабжения обеспеченность минимальных среднемесячных расходов воды поверхностных источников должна быть: 1 категория — 95%; 2 категория — 90% и 3 категория — 85%.

Наблюдается определенная закономерность: воды рек Севера характеризуются малой или средней мутностью, высокой цветностью и малым солесодержанием, а реки Юга — высокой мутностью и минерализацией, бесцветностью. Воды поверхностных источников, как правило, имеют значительную бактериальную загрязненность.

Состав природных вод постоянно изменяется в результате протекающих в них процессов оксидации и восстановления, седиментации диспергированных и коллоидных примесей и солей, как следствие изменения давления и температуры; ионообмена между водой и донными отложениями; обогащения вод микроэлементами вследствие биохимических процессов; смешения вод различного питания. В поверхностных водотоках наблюдается самоочищение воды за счет физических, химических и биологических процессов, чему способствует аэрация, перемешивание, декантация взвесей, разбавление загрязнений в большой массе воды. Под действием простейших водных организмов, микробов-антагонистов, бактериофагов и антибиотиков биологического происхождения, под влиянием биохимических и оксидационных процессов — погибают патогенные бактерии и вирусы. Самоочищение воды, как правило, не обеспечивает необходимого ее качества для производственных и хозяйственно-питьевых целей. Поэтому практически всегда поверхностная вода нуждается в кондиционировании ее свойств с их доведением до требований потребителя.

Хозяйственная деятельность человека существенно влияет на состояние водоисточников как в качественном, так и в количественном отношении. Одним из ее факторов является смыв с сельскохозяйственных угодий химических удобрений и сброс в водоемы недостаточно очищенных сточных вод и вод тепловых и атомных электростанций. Вследствие этого интенсивно развиваются планктон и макрофиты, вызывающие зарастание водоемов, повышение цветности воды, возникновение привкусов и запахов, что ухудшает санитарное состояние водоисточников.

Таким образом, при выборе технологии водоподготовки необходимо определить качество воды источника, т. е. состав и концентрацию содержащихся в ней примесей, а затем сопоставить с предъявляемыми требованиями.

Влияние примесей воды на ее качество

Природные воды представляют собой сложную многокомпонентную динамическую систему, в состав которой 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 и вирусы. Во взвешенном состоянии в природных водах содержатся глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы, в коллоидном состоянии — различные вещества органического происхождения, кремнекислота, гидроксид железа (III), фульвокислоты, гуматы, в истинно растворенном состоянии — в основном минеральные соли, обогащающие воду ионами.

По О. А. Алекину, химический состав Природных вод, под которым понимается сложный комплекс минеральных и органических веществ в разных формах ионо-молекулярного и коллоидного состояния, подразделяется на пять групп: главные ионы, содержащиеся в наибольшем количестве (натрий Na⁺, калий К⁺, кальций Са²⁺, магний Mg²⁺, сульфаты S0₄^2-, карбонаты С0₃^2-, хлориды С1^-, гидрокарбонаты НС0₃^-); растворенные газы (азот N₂, кислород О₂, оксид углерода СО₂, сероводород H₂S и др.); биогенные элементы (соединения фосфора, азота, кремния); микроэлементы — соединения всех остальных химических элементов; органические вещества.

Размеры взвешенных веществ варьируются от коллоидных до грубодисперсных частиц (табл.1.1).

Таблица 1.1

Л.А. Кульским предложена классификация примесей воды, основанная на их фазовом состоянии и дисперсности. Примеси воды разделены на четыре группы.

Примеси первой группы проникают в воду вследствие эрозии слагающих ложе водоема пород и смыва с поверхности почв. Они представляют собой нерастворимые в воде суспензии и эмульсии (а также планктон и бактерии), кинетически неустойчивые и находящиеся во взвешенном состоянии, благодаря гидродинамическому воздействию водного потока. В состоянии покоя эти примеси выпадают в осадок.

Примеси второй группы представляют собой гидрофобные и гидрофильные органические и минеральные коллоидные частицы, вымытые водой из грунтов и почв, а также нерастворимые и недиссоциированные формы гумусовых веществ, детергенты и вирусы, которые по своим размерам близки к коллоидным примесям.

Примеси третьей группы — это молекулярно-растворенные вещества (органические соединения, растворимые газы и т. п.).

Примеси четвертой группы представляют собой вещества, диссоциированные на ионы. В результате процесса гидратации кристаллическая структура этих веществ разрушается. Устойчивость образующихся гидрооксидов металлов прямо пропорциональна их заряду и обратно пропорциональна радиусу.

Концентрация отдельных примесей в воде определяет ее свойства, т. е. качество. Различают показатели качества воды физические (температура, взвешенные вещества, цветность, запах, вкус и др.), химические (жесткость, щелочность, активная реакция, окисляемость, сухой остаток и др.), биологические (гидробионты) и бактериологические (общее количество бактерий, коли-индекс и др.).

Для определения качества воды производят физические, химические, бактериологические, биологические и технологические анализы в наиболее характерные для данного водоисточника периоды года.

Из веществ, диссоциирующих в водных растворах на ионы, в воде растворяется большинство минеральных солей, кислот и гидроксидов. Наиболее часто в природных водах встречаются гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты щелочноземельных и щелочных металлов, в меньшей мере — их нитраты, нитриты, силикаты, фториды, фосфаты и др.

Значительным поставщиком органических веществ в природную воду является почвенный гумус, продукты жизнедеятельности и разложения растительных и животных организмов, сточные воды бытовых и промышленных предприятий.

Наличие в воде взвешенных веществ свидетельствует о ее загрязненности твердыми нерастворимыми примесями — частичками глины, песка, ила, водорослей и другими веществами минерального или органического происхождения.

Загрязненность воды микроорганизмами зависит от происхождения и характера источника. Наиболее чистыми в этом отношении являются артезианские воды, но и они могут загрязняться вследствие транспортирования их по трубам и нарушения санитарного режима в местах водозабора. Особенно подвержены загрязнению микроорганизмами поверхностные воды, поэтому использование их в неочищенном виде всегда представляет большую опасность в связи с возможностью возникновения и распространения инфекционных заболеваний.

Из растворенных в природных водах газов существенное влияние на их свойства оказывают: оксид углерода (IV), кислород, сероводород, метан, азот. Их содержание в воде определяется природой и парциальным давлением газа, составом водной среды, температурой. Рассмотрим более подробно влияние газов и других примесей воды на ее свойства.

Кислород, оксид углерода, сероводород придают воде при определенных условиях коррозионные свойства по отношению к металлам и бетону. Кислород попадает в воду при ее контакте с воздухом. В артезианских водах кислород отсутствует, а в поверхностных водах содержание кислорода меньше теоретического за счет потребления его различными организмами, брожения; гниения органических остатков и т. п. Резкое снижение содержания кислорода в воде указывает на ее загрязнение.

Растворимость в воде кислорода, оксида углерода, азота, метана и др. газов при р = 0,1016 МПа приведена в табл.1.2.

Таблица 1.2

Растворимость, мг/л

Растворимость, % по массе

Растворимость, см³/л, приведенная к°С

Азот в природные воды проникает из воздуха, при разложении органических остатков, а также при восстановлении соединений азота динитрифицирующими бактериями. Растворимость азота в воде (табл.1.2) значительно меньше; чем кислорода, но в связи с его высоким парциальным давлением в воздухе, в природных водах азота больше, чем кислорода. Образующийся в воде в процессе гниения растений аммиак оказывает влияние на технологию хлорирования воды.

Метан в природных водах, используемых для централизованного водоснабжения, обычно присутствует в незначительных количествах. Однако, в подземных водах газонефтеносных районов и в болотных водах содержание метана доходит до 50 мг/л. При концентрации метана в воздухе 5,3−14% возникает взрывоопасная ситуация. Растворимость метана в воде приведена в табл.1.2.

Оксид углерода (IV) присутствует во всех природных водах от нескольких мг/л (поверхностные воды) до сотен мг/л (подземные и шахтные воды). Оксид углерода (IV) в сочетании с гидрокарбонатами обусловливает буферные свойства воды. Угольная кислота встречается в природных водах в форме недиссоциированных молекул Н₂СО₃, гидрокарбонатных НСО_з ^- и карбонатных СО₃^{2 -} ионов.

Форму содержащейся в воде угольной кислоты, диссоциирующей ступенчато, можно определить по константам диссоциации. Последние рассчитывают обычно на общее содержание СО₂ и Н₂СО₃. Для этого необходимо знать значения констант и концентрации любых двух ионов, входящих в уравнение диссоциации:

Н₂С0₃ — Н⁺ + НСО₃^-

НСО₃ ^- -Н⁺ + СО₃^2-

Количественные соотношения между Н₂С0₃, СО₂, НСО₃ ^- и СО₃^{2 -} определяются значениями рН воды (табл.1.3).

Угольная кислота может находиться в свободном и в связанном состояниях. Под свободной угольной кислотой понимают сумму Н₂СO₃+СO₂. Поскольку в природных водах концентрация недиссоциированных молекул угольной кислоты Н₂СO₃ составляет лишь доли процента от общего количества свободной угольной кислоты, в качестве последней без заметной погрешности принимают концентрацию СО₂.

В воде поверхностных источников содержание СO₂ не превышает 20−30 мг/л, в подземных неминерализованных водах — 90 мг/л. В подземных водах С0₂ появляется в результате процессов разложения органических соединений, а также в результате биохимических процессов.

Повышенное содержание свободной угольной кислоты в воде обычно наблюдается при очистке природных вод коагулированием, поскольку введение каждого миллиграмма безводных Al₂ (S0₄) ₃ или FeCl₃ сопровождается выделением 0,8 мг С0₂:

Al₂ (S0₄) ₃ + ЗСа (НС0₃) ₂ = 2А1 (ОН) ₃ + 3CaS0₄ + 6С0₂

Связанная угольная кислота входит в состав гидрокарбонатов и карбонатов. В природных водах содержание карбонатов обычно невелико, за исключением содовых вод и зависит от растворимости карбоната кальция. Поэтому под связанной угольной кислотой понимают кислоту, входящую в состав гид — рокарбонатав. Содержание их в воде обусловливает так называемый щелочной резерв (щелочность) воды.

Таблица 1.3

Различные формы угольной кислоты в водных растворах связаны так называемым динамическим углекислотным равновесием СО₂ + Н₂О — Н₂С0₃ -Н⁺ + НСО₃ ^- — 2Н⁺ + СО₃^2-

При наличии ионов Са²+ углекислотное равновесие выражается уравнением Са²⁺ + 2НСО₃ ^- — СаС0₃ + С0₂ + Н₂0

По закону действующих масс константа равновесия этой реакции

K₁=

водоснабжение подземная природная вода Если учесть, что концентрация [Н₂0] и [СаС0₃] - постоянные величины и могут быть введены в константу, а [Са²⁺] = 2 [НСО₃^-], то K₂=

Из этого выражения видно, что ионы НСОз~ существуют в растворе только при наличии свободной угольной кислоты. Часть свободной угольной кислоты, находящейся в равновесии с гидрокарбонатами, называется равновесной. Она как бы связана! с гидрокарбонатами и поэтому не вступает в химические реакции.

Избыточная свободная угольная кислота в отличие от равновесной, очень активна и называется агрессивной. Однако, не вся избыточная свободная угольная кислота агрессивна. Часть ее, действуя на карбонат кальция, превращает его в гидрокарбонат, а другая часть переходит в равновесную угольную кислоту для удержания в растворе вновь образовавшегося гидрокарбоната.

В водах открытых водоемов из-за низкого содержания в атмосферном воздухе присутствие агрессивной угольной кислоты маловероятно. В подземных водах, наоборот, ее содержание иногда бывает весьма значительным.

При увеличении концентрации гидрокарбоната кальция в воде количество равновесной угольной кислоты значительно повышается. Поэтому вероятность наличия агрессивной угольной кислоты для мягких вод больше, чем для жестких.

Увеличение степени минерализации воды приводит к уменьшению в ней количества свободной угольной кислоты, необходимой для поддержания углекислотного равновесия. Это обусловливает большую агрессивность воды, содержащей много солей, при равном содержании свободной угольной кислоты.

Особенно благоприятные условия для накопления агрессивной угольной кислоты создаются в период весеннего паводка, когда из-за высокой мутности или цветности очищаемой воды приходится вводить повышенные дозы коагулянта.

Агрессивные свойства угольной кислоты объясняются ее способностью взаимодействовать с карбонатными породами и переводить их в растворимые в воде гидрокарбонаты СаСО₃ + С0₂ + Н₂0 = Са (НС0₃) _2,а также некоторым снижением рН среды, в результате чего усиливается электрохимическая коррозия металлов, например, железа.

Действие агрессивной угольной кислоты на бетон состоит в растворении карбоната кальция, образующегося при твердении цемента и переходе его в хорошо растворимый гидрокарбонат.

2Ca₃Si0₅ + 6Н₂0 = Ca₃Si₂0₇ ЗН₂0 + ЗСа (ОН) ₂

Са (0Н) ₂ + СО₂ = СаС0₃ + Н₂0

СаСОз + С0₂ + Н₂0 = Са (НС0₃) ₂

Коррозия Растворение карбоната кальция нарушает равновесие и приводит к разложению других компонентов цемента. Аналогично действует угольная кислота на металлические трубы.

Вначале в ней растворяются карбонаты, являющиеся составной частью ржаво-карбонатных отложений в водопроводной сети, затем материал труб подвергается электрохимической коррозии с образованием новых отложений.

Присутствие в воде агрессивной угольной кислоты может ухудшать работу очистных сооружений за счет усиленного зарастания отстойников сине-зелеными водорослями и засорения фильтров пузырьками газа.

Об агрессивности или стабильности воды по отношению к металлу или бетону можно судить по концентрации агрессивной углекислоты. О стабильности воды по методу Ланжелье судят по соотношению рН исходной воды и рН равновесного насыщения воды карбонатом кальция. Последнее находят по результатам химического анализа из выражения рН₈ = рК_{2 -} рПР_CaCO3 — lg (Са²+) — lg (Щ) + 2,5 м^0.5+ 7,6

где К₂ — константа второй ступени диссоциации угольной кислоты; ПР _CaCO3, — произведение растворимости карбоната кальция; (Са²+) и (Щ) — содержание кальция и щелочность воды; м — ионная сила раствора, зависящая от общего солесодержания; р — символ отрицательного логарифма.

При рН меньше pH_s — вода содержит агрессивную углекислоту и разрушающе действует на металлы и бетон, при рН больше pH_s — вода способна к отложению карбоната кальция.

Таким образом, присутствие в природных водах углекислоты существенно влияет на их качество.

Сероводород встречается в основном в подземных водоисточниках, образуясь в результате процессов восстановления и разложения некоторых минеральных солей (гипса, серного колчедана и др.). В поверхностных водах он почти не встречается, так как легко окисляется. Появление его в поверхностных источниках может быть следствием протекания гнилостных процессов или сброса неочищенных сточных вод.

В зависимости от величины рН кроме газообразного растворенного H₂S в воде могут присутствовать ионы HS ^- и S^2-. Соотношение форм сероводорода при различных рН воды приведено в табл.1.3.

Форму сероводорода можно определить также по константам его диссоциации. Наличие в воде сероводорода придает ей неприятный запах, ощущаемый уже при его концентрации 0,5 мг/л, интенсифицирует процесс коррозии трубопроводов и вызывает их зарастание вследствие развития серобактерий.

Взвешенные вещества попадают в воду в результате смыва твердых частичек (глины, песка, лесса, илистых веществ) верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время весенних и осенних паводков, а также в результате размыва русел рек. Наименьшая мутность водоемов наблюдается зимой, когда они покрыты льдом, наибольшая — весной в период паводка, а также летом вследствие выпадания дождей, таяния снега в горах и развития мельчайших плавающих живых организмов и водорослей. Повышение мутности воды может быть вызвано выделением некоторых карбонатов, гидроксидов алюминия, марганца, высокомолекулярных органических примесей гумусового происхождения, появлением фито — и зоопланктона, окислением соединений железа (11) кислородом воздуха, сбросом неочищенных производственных сточных вод и др.

Взвешенные вещества имеют различный гранулометрический состав, который характеризуется гидравлической крупностью, выражаемой как скорость осаждения частичек при температуре 10 °C в неподвижной воде (табл.1.1).

На территории России зона водоемов с содержанием взвешенных веществ менее 50 мг/л соответствует географическим зонам тундры и тайги. В степных районах содержание взвешенных веществ в реках достигает 150−500 мг/л. Наибольшей мутностью характеризуются воды рек, вытекающих из гор Кавказа и Средней Азии. На территории России самую высокую среднегодовую мутность имеет вода реки Аксай — 11,7 г/л.

Наличие в воде взвешенных веществ препятствует использованию ее для хозяйственно-питьевых целей, в теплоэнергетике, на заводах для приготовления пищевых продуктов, при производстве бумаги, тканей, кинопленки и пр. Согласно ГОСТ 2874–82, мутность питьевой воды по стандартной шкале должна составлять не более 1,5 г/л.

Органические вещества, присутствующие в природных водах, влияют на органолептические показатели их качества. Самыми значительными поставщиками органических веществ е природную воду являются почвенный и торфяной гумус, продукты жизнедеятельности и разложения растительных и животных организмов, сточные воды бытовых и промышленных предприятий. Для технологии очистки воды наибольший интерес представляют гумусовые вещества, окрашивающие природные воды в различные оттенки желтого и бурого цветов. Гумусовые вещества представляют собой высокомолекулярные соединения, содержащие плоские сетки циклически полимеризованного углерода и боковые цепи линейно полимеризованного углерода с атомными (Н" О и др.) и функциональными (-ОН, — СООН) группами. Они разделяются на гуминовые, ульминовые, креновые, апокреновые (фульвокислоты) и другие кислоты, а также их растворимые в воде соли.

Гуминовые и фульвокислоты могут находиться в почве в свободном состоянии, в виде солей с катионами щелочных и щелочноземельных металлов, комплексных и внутрикомплексных соединений с железом, алюминием, марганцем, медью и, наконец, в виде адсорбционных органо-минеральных соединений.

Наземная растительность, высшие водные растения, актиномицеты и фитопланктон выделяют бесцветные или окрашенные, без запаха или с запахом вещества, часть из которых превращается в гумусовые соединения.

Для водоемов особую опасность представляют сточные воды, в составе которых есть белки, жиры, углеводы, органические кислоты, эфиры, спирты, фенолы, нефть и др.

Степень окраски природных вод, выражаемая в градусах платиново-кобальтовой шкалы, называется цветностью. Наибольшую цветность имеют природные поверхностные воды рек и озер, расположенных в зонах торфяных болот и заболоченных лесов, наименьшую — в лесостепных и степных — зонах. Зимой содержание органических веществ в природных водах минимальное, однако в период половодья и паводков, а также летом в период массового развития водорослей — «цветения» водоемов — оно повышается.

Наличие в воде органических веществ резко ухудшает ее органолептические показатели, вызывая различного рода запахи (землистый, гнилостный, рыбный, болотный, аптечный, камфорный, запах нефтепродуктов, хлорфенольный и т. д.), повышает цветность, вспениваемость, оказывает неблагоприятное действие на организм человека и животных.

Главнейшие ионы, присутствующие в природных водах: Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Н⁺, Сl^-, HC0₃^_, SO₄^2-, ОН^-, СО₃^2-, F^-, HS^-, HS07, HSiO₃^-, существенно влияют на их качество.

В природных водах в большом количестве присутствует семь основных ионов. О. А. Алекин предложил классифицировать природные воды в зависимости от преобладающего аниона. Согласно этой классификации, природные воды делят на три больших класса: гидрокарбонатные (и карбонатные), сульфатные и хлоридные.

Каждый класс по преобладающему катиону (Са²+, Mg^,+, Na+ + К⁺) делят на три группы: кальциевую, магниевую и натриевую. В свою очередь, в группах различают три типа вод, определяемых следующим соотношением:

I — НСО₃ ^- > Са²⁺ + Mg²⁺;

II — НСО₃ ^- < Са²⁺ + Mg²⁺ < < HC0₃ ^- + SO₄^2-;

III — НСО₃ ^- + S0₄^{2 -} 2+ + Mg²⁺.

Использование этой классификации позволяет выяснить происхождение природных вод и охарактеризовать их свойства.

По содержанию ионов (солей) в воде определяют общую степень ее минерализации М

M=?_анион + ?_катион

где ?_катион — сумма катионов, мг/л; ?_{анион -} сумма анионов, мг/л.

Для проверки правильности вычисления степени минерализации природной воды результаты пересчитывают в миллиграмм-эквиваленты на литр. При этом суммы концентраций в воде катионов и анионов должны быть равными:

В таком балансовом уравнении необходимо учитывать содержание всех ионов, концентрация которых превышает 0,01 мг-экв/л. Хорошо выполненным считается анализ при расхождении между суммами в правой и левой частях уравнения ±1%; вполне допустимым — при расхождении ±2−3% (при малой степени минерализации). Если погрешность превышает 5%, а при значительной степени минерализации 3%, то анализ следует считать неточным О содержании в природных водах солей можно судить по количеству сухого остатка и потере массы при прокаливании. Сухой остаток, образующийся при выпаривании определенного объема воды, предварительно профильтрованной через бумажный фильтр, состоит из минеральных солей и нелетучих органических соединений. Количество органических соединений в сухом остатке воды определяют по потере его массы при прокаливании.

Основными химическими примесями речных вод, содержащих до 500−600 мг/л растворенных солей, являются ионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, НСО₃^-, S0₄^2-, С1^_. Маломинерализованные воды рек содержат преимущественно ионы Са²⁺ и НСО₃^-. По мере повышения степени минерализации речных вод содержание в них ионов Na⁺, SO₄^2-, С1 ^- увеличивается, а относительное содержание ионов Са²⁺ уменьшается, поскольку СаСО₃ и CaS0₄ осаждаются из-за малой растворимости (растворимость СаСО₃ составляет 0,013, CaS0₄ — 2,020 г/л). Вследствие лучшей растворимости MgC0₃ и MgS0₄ ионы Mg²⁺ могут содержаться в больших концентрациях.

Подземные воды разнообразны по химическому составу. Степень их минерализации зависит от условий залегания водоносного горизонта и колеблется от 100−200 мг/л до нескольких граммов на литр. В пресных артезианских водах преобладают ионы Са²⁺ и НСО₃^-. По мере повышения степени минерализации подземных вод возрастает относительное содержание ионов Na+, S0₄²~, С1″. Содержание солей в водах океанов и некоторых морей достигает 50 г/кг и более. Основными химическими примесями морских вод являются ионы Na+ и С1^_, составляющие в сумме около 30 г/кг. Содержание солей в водах внутренних морей значительно меньше. Например, в воде Каспийского моря солей содержится около 13, Черного — около 16, Балтийского — около 7,5 г/кг.

Большое количество растворенных в воде солей ухудшает вкусовые качества воды, в результате чего она может приобретать соленый, горький, сладкий и кислый вкус, а также различные привкусы. Порог вкусового Восприятия солевых добавок в воде характеризуется следующими концентрациями:

NaCl-165, СаС1₂-470, MgCl₂-135, МnС1₂-1,8, FeCl₂ — 0,35, MgS0₄ — 250, CaS0₄ — 70, MnS0₄ — 15,7, FeS0₄ — 1,6, NaHC0₃-450 мг/л.

Ионы Na+ и K⁺ попадают в природные воды в результате растворения коренных пород. Так, большое количество Na+ поступает в воду в результате растворения залежей NaCl. Преобладание ионов Na+ над ионами К⁺ в природных водах объясняется большим поглощением калия почвами и извлечением его из воды растениями.

Ионы Са²⁺ и Mg²+ присутствуют во всех минерализованных водах. Их источником являются природные залежи известняков, гипса и доломитов. В маломинерализованных водах бол" - ше всего ионов Са²⁺. С увеличением степени минерализации воды содержание ионов Са²+ быстро падает и редко превышает 1 г/л. Содержание же ионов Mg²⁺ в минерализованных водах может достигать нескольких граммов, а в соленых озерах — нескольких десятков граммов на 1 л воды. Ионы Mg²⁺ и Са2+ обусловливают жесткость воды.

Общая жесткость воды представляет собой сумму карбонатной (временной) и некарбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде в основном гидрокарбонатов кальция и магния, она почти полностью устраняется при кипячении воды. Гидрокарбонаты при этом распадаются с образованием угольной кислоты; в осадок выпадает карбонат кальция и гидроксид магния.

Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием кальциевых и магниевых солей серной, соляной и азотной кислот и при кипячении не устраняется. Хотя ионы Mg²⁺ и Са²⁺ и не приносят особого вреда живым организмам, однако, наличие их в воде в большом количестве нежелательно, поскольку такая вода непригодна для хозяйственных нужд. В жесткой воде увеличивается расход мыла при стирке белья, медленно развариваются мясо и овощи. Жесткая вода непригодна и для систем оборотного водоснабжения, для питания паровых котлов и пр.

Ионы Мп²+, Fe²+, Fe³+ в истинно растворенном состоянии находятся в очень небольших концентрациях. Большая часть железа и марганца в природных водах содержится в виде коллоидов и суспензий. В подземных водах преобладают соединения железа и марганца в виде гидрокарбонатов, сульфатов и хлоридов, в поверхностных — в виде органических комплексных соединений (например, гуминовокислых) или в виде высокодисперсной взвеси.

В поверхностных водах средней полосы России содержится от 0,1 до 1 мг/л железа и от 0 до 0,05 мг/л марганца, в подземных водах содержание железа часто превышает 15−20 мг/л, концентрация марганца колеблется в пределах 0,5−3 мг/л. Железо и марганец придают воде неприятную красновато-коричневую или черную окраску, ухудшают ее вкус, вызывают развитие железобактерий, отложение осадка в трубопроводах и их засорение. Избыток железа в организме увеличивает риск инфарктов, длительное употребление человеком железосодержащей воды вызывает заболевание печени, оказывает негативное влияние на репродуктивную функцию организма. Марганецсодержащие воды отличаются вяжущим привкусом, окраской, оказывают элебриотоксическое и гонадотоксическое воздействие на организм человека.

Бор р питьевой воде в концентрации выше 0,5 мг/л негативно воздействует на человека, ухудшая обмен веществ и вызывая заболевание печени и желудочно-кишечного тракта.

Бром в питьевой воде при содержании свыше 0,2 мг/л уменьшает скорость проведения импульса по нервным волокнам, отрицательно сказывается на функции печени и почек, обусловливает снижение калия в крови и увеличивает содержание азота в мочевине.

Соединения азота встречаются в природной воде в виде ионов N0₂~, N0₃^_ и NH₄+ Появление этих ионов в природных водах связано с разложением различных сложных органических веществ животного и растительного происхождения, а также с разложением белковых веществ, попадающих в водоемы с бытовыми сточными водами.

Нитраты содержатся главным образом в поверхностных водах (до 0,001−0,003 мг/л), нитриты — в артезианских (десятые доли миллиграмма в литре). При использовании питьевой воды с нитратами в количестве свыше 45 мг/л в организме человека синтезируются нитрозамины, способствующие образованию злокачественных опухолей, перерастающих в рак желудка, у детей возникает заболевание водно-нитратной метгемоглобинемией (нарушение окислительной функции крови).

Конечный продукт разложения белковых веществ - аммиак. Наличие в воде аммиака растительного или минерального происхождения не опасно в санитарном отношении. Если же аммиак образуется в результате разложения белка сточных вод, такая вода непригодна для питья. Содержание азота аммонийных солей в речной воде в зависимости от степени ее загрязнения колеблется от 0 до 1 мг/л.

Кремний присутствует в природных водах в виде ионов, молекул и коллоидных частичек. Форма содержания кремниевой кислоты в воде зависит от многих факторов и, в первую очередь, от ее ионного состава и значения рН (табл.1.3).

Кремниевая кислота H₂Si03 диссоциирует в две стадии. Содержание кремния в природных водах в пересчете на Si0₃² — обычно достигает 0,6−40 мг/л и лишь в отдельных случаях может повышаться до 65 мг/л. Кремниевая кислота че вредна для здоровья, однако, повышенное содержание ее в воде делает воду непригодной для питания паровых котлов из-за образования силикатной накипи.

Содержание ионов S0₄² — и С1~ в природных водах колеблется в широких пределах (от долей миллиграмма до нескольких граммов на литр) и обусловлено вымыванием солесодержащих пород или сбросом в водоемы промышленных и бытовых сточных вод. Наличие в воде более 350 мг/л хлоридов или 500 мг/л сульфатов придает ей солоноватый привкус и приводит к нарушению функционирования пищеварительной системы у людей. Вода с большим содержанием ионов SO4² — и С1^_ имеет также повышенную коррозионную активность, более высокую некарбонатную жесткость, разрушающе действует на железобетонные конструкции.

Под общей щелочностью воды подразумевается сумма содержащихся в воде гидроксильных ионов ОН — и анионов слабых кислот, например, угольной (НСОз — С0§~). Поскольку в большинстве природных вод преобладают карбонаты, обычно различают лишь гидрокарбонатную и карбонатную щелочность. При некоторых приемах обработки воды и при рН>8,5 возникает гидратная щелочность.

Общую щелочность воды Щ можно выразить уравнением Щ = [НС0₃~] + 2 [СОП + [ОН" ] + [ВОТ] + [НР07] +

+ 2 [НР04^-] + 3 [РО|~] + [HS-] + [HSiOr] + [гуматы] - [Н+]

Этот показатель, определяющий буферную емкость природных вод, имеет большое значение в химической технологии водоподготовки.

Гидрокарбонаты наиболее распространены в природных водах. Для поддержания высоких концентраций ионов НСОз~ необходимо большое количество С0₂. В поверхностных водах это не реально, поэтому в реках и пресных озерах содержание НСОз" редко превышает 250 мг/л (например, в р. Урал — 122 мг/л, в р. Волга — 144, в р. Дон — 158,5, в р. Судогда — 433 мг/л).

Соединения фосфора встречаются в природных водах в виде суспендированных частиц минерального и органического происхождения, в виде ионов ортофосфорной кислоты или сложного органического комплекса. В природных водах соединения фосфора присутствуют в малых количествах, но оказывают существенное влияние на водную растительность. Концентрация соединений фосфора в питьевой воде не регламентирована.

Фтор в природных водах содержится до 12 мг/л (артезианские воды) и более. Однако, подавляющее большинство источников централизованного водоснабжения в нашей стране характеризуется содержанием фтор-иона до 0,5 мг/л. Фтор является активным в биологическом отношении микроэлементом, содержание которого в питьевой воде во избежание кариеса или флюороза зубов должно быть 0,7−1,5 мг/л.

Иод в природных водах находится в ничтожно малых количествах. Он является очень важным биологическим микроэлементом, содержание которого в питьевой воде не должно быть менее Ю^-8 мг/л во избежание эндемического зоба.

Стронций в концентрации свыше 7 мг/л вызывает уровскую болезнь, рахит, ломкость костей.

Кадмий в питьевой воде при содержании свыше 0,001 мг/л вызывает болезнь «Итай-итай» .

При избытке ртути в питьевой воде (свыше 0,0005 мг/л) возникает болезнь Минамата.

Цинк в концентрациях свыше 5,0 мг/л угнетает окислительные процессы в организме, вызывает анемию.

Медь в питьевой воде, в концентрации свыше 1 мг/л вызывает заболевание печени, гепатит и анемию.

Молибден при содержании в питьевой воде свыше 0,25 мг/л вызывает подагру и молибденовую болезнь.

Допустимые концентрации некоторых микроэлементов в хозяйственно-питьевой воде установлены ГОСТ 2874–82 и СанПиН 4630−88.

В состав природных вод могут входить также ионы радиоактивных элементов, поступающих в воду в результате вымывания радиоактивных минералов или в результате испытаний атомного оружия и сброса отработанных вод атомных реакторов. ГОСТ 2874–82 также ограничивает содержание радиоактивных элементов в питьевой воде.

Ионы Л5³⁺, Лз⁵⁺, РЬ*+ и многие другие, относящиеся к ядовитым, в природных водах в естественном состоянии встречаются, как правило, в незначительных количествах и попадают в них в больших' количествах в результате сброса неочищенных бытовых и промышленных сточных вод. Наличие в воде нескольких миллиграммов на литр ядовитых веществ оказывает вредное влияние на здоровье человека и теплокровных животных, а также губительное действие на рыб и их кормовые ресурсы, тормозит процессы самоочищения водоемов. К этой группе веществ относятся As, Be, Си, Mo, Pb, Se, Sr, Zn и др., а также некоторые органические вещества. Если в воде находятся такие химические вещества с одинаковым лимитирующим признаком вредности, сумма отношений обнаруженных концентраций этих веществ в воде к их ПДК не должна превышать 1.

Гидробионты, населяющие природные воды, в процессе жизнедеятельности влияют не только на состав окружающей водной среды, но и на качество воды. Они подразделяются на планктон — обитатели, пребывающие в толще воды от дна до поверхности; среди них различают плавающие, пассивно парящие и полуподводные (плейтон) организмы; взвешенные в воде остатки их органического и неорганического происхождения называют детритом; бентос — обитатели, находящиеся на дне водоема; среди них встречаются подвижно или неподвижно прикрепленные, свободно лежащие и ползающие по дну организмы, сверлящие дно, закапывающиеся. Нейстон — организмы, населяющие поверхностную пленку воды и адаптировавшиеся к жизни в специфических условиях ее поверхностного натяжения; пагон — организмы (моллюски, ракообразные, коловратки и др.), пребывающие зимой в толще льда в состоянии анабиоза, оживающие весной и находящиеся среди бентоса или планктона.

На процессы формирования качества воды и ее самоочищения гидрофация оказывает значительное влияние, так как многие ее представители (зоопланктон и зообентос) используют растворенные органические вещества, некоторые животные — фильтраторы употребляют для питания бактерии, водоросли и т. п.

Гидрофлора водоемов определяется макрофитами (высшая водная растительность) и микрофитами (водоросли — фитопланктон и фитобентос). При отмирании и разложении макрофитов вода обогащается органическими веществами, появляются пахнущие вещества, которые ухудшают органолептические показатели качества воды.

Микрофиты, подразделяемые на зеленые, сине-зеленые, эвгленовые, диатомовые и др., не только поглощают углекислоту, кислород (а сине-зеленые — азот, включая аммиак), но и продуцируют кислород. Массовое развитие микрофитов в периоды цветения воды создает значительные трудности в технологии улучшения ее качества, особенно для питьевых целей, так как возникает необходимость в дезодорации и микрофильтровании воды.

Бактерии и вирусы из числа патогенных, т. е. паразитов, живущих на живом субстрате, развивающихся в воде, могут вызвать заболевания брюшным тифом, паратифом, дизентерией, бурцеллезом, инфекционным гепатитом, острым гастроэнтеритом, сибирской язвой, холерой, полиомиелитом, туляремией, конъюнктивитом и т. д.

Вирусы — мельчайшие живые существа размерами 16 — 30 мкм, видимые только под электронным микроскопом. В отличие от бактерий они не имеют клетчатой структуры и состоят из нуклеиновой кислоты, покрытой белковой оболочкой. Они имеют шарои кубообразную форму, а также форму прямых я изогнутых палочек. Вирусы являются внутриклеточными паразитами. Среди них встречаются бактериофаги, паразитирующие в клетках бактерий и вызывающие их разрушение и гибель.

В связи с тем, что при биологическом анализе воды определение патогенных бактерий затруднено, при бактериологических анализах выявляют общее число бактерий в 1 мл воды, растущих при 37 °C, и кишечных палочек — бактерий коли, наличие которых свидетельствует о загрязнении воды выделениями людей и животных и т. п. Минимальный объем испытуемой воды, мл, приходящийся на одну кишечную палочку, называется коли-титром, а количество кишечных палочек в 1 л воды — коли-индексом. Согласно ГОСТ 2874–82, допускается коли-индекс до 3, коли-титр — не менее 300, а общее число бактерий в 1 мл — до 100.

1. Алексеев Л. С., Гладков В. А. Улучшение качества мягких вод. М., Стройиздат, 1994 г.

2. Алферова Л. А., Нечаев А. П. Замкнутые системы водного хозяйства промышленных предприятий, комплексов и районов. М., 1984.

3. Аюкаев Р. И., Мельцер В. З. Производство и применение фильтрующих материалов для очистки воды. Л., 1985.

4. Вейцер Ю. М., Мииц Д. М. Высокомолекулярные флокулянты в процессах очистки воды. М., 1984.

5. Егоров А. И. Гидравлика напорных трубчатых систем в водопроводных очистных сооружениях. М., 1984.

6. Журба М. Г. Очистки воды на зернистых фильтрах. Львов, 1980.