СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ВОД

1.Под качеством природной воды понимают совокупность ее свойств, обусловленных характером и концентрацией содержа­щихся в воде примесей. Примеси природных вод подразделяют­ся на неорганические и органические. Отдельную группу приме­сей составляют микрофлора и микрофауна природных водоемов, оказывающая существенное влияние на качество воды.

При оценке качества природной воды с точки зрения возмож­ности ее обработки теми или иными способами имеет значение не только природа примесей, но и их физико-химическое состоя­ние. Классификация примесей на основе их фазово-дисперсной характеристики разработана под руководством акад. Л. А. Кульского. Согласно этой классификации, примеси природных вод по их физико-химическому состоянию, которое в значительной сте­пени определяется дисперсностью веществ, могут быть разделе­ны на четыре группы.

К первой группе примесей относятся взвешенные вещества (взвеси) - суспензии и эмульсии, средний размер частиц кото­рых составляет 10^-3—10^-5 см. Состав примесей этой группы очень разнообразен: это частицы глины и песка, малораствори­мые гидроокиси металлов, частицы ила, эмульсии минеральных масел, нефтепродукты, планктон (в том числе и бактериальный).

В совокупности эти примеси обусловливают мутность воды. Более полное представление о составе примесей первой группы можно получить на основе химического, гидробиологического и бактериологического анализов. Для этого обычно определяют взвешенные вещества и их зольность, качественный и количест­венный состав гидробионтов, микробное число и число бактерий группы кишечной палочки.

Ко второй группе относятся коллоидно-растворенные приме­си и высокомолекулярные органические соединения со степенью дисперсности 10^-5—10^-6 см.

Высокомолекулярные соединения могут образовывать не только коллоидные, но и истинные растворы. Тем не менее, они отнесены ко второй группе примесей, так как размер их частиц соответствует коллоидной степени дисперсности и по ряду свойств растворы этих веществ сходны с коллоидными систе­мами.

К примесям этой группы относятся минеральные и органо-минеральные частицы почв и грунтов, коллоидные соединения железа и гумус, образующийся в результате химического и био­химического разложения растительных остатков непосредствен­но в водоеме и попадающий в него с атмосферными и талыми во­дами из почвы.

В составе гумусовых веществ этой группы различают колло­идные соединения гуминовых кислот и фульвокислот. Перечис­ленные соединения придают воде цветность. Наличие коллоид­ных примесей увеличивает и мутность воды, хотя на показатель взвешенных веществ влияния не оказывает, так как частицы кол­лоидной степени дисперсности не задерживаются фильтром.

Третью группу примесей составляют молекулярно растворен­ные вещества с размером частиц 10^-б—10^-7 см.

Растворенные газы, главным образом кислород и углекислый газ, практически всегда содержатся в природной воде. В некото­рых подземных водах и загрязненных поверхностных источниках может присутствовать сероводород.

К растворенным органическим соединениям относятся про­дукты жизнедеятельности и разложения бактерий, актиномицетов, плесеней, водорослей, макрофитов и других водных организ­мов, а также фенолы и истинно растворенные фульвокислоты. Содержание органических веществ может увеличиваться при спуске в водоем недостаточно очищенных бытовых и производст­венных сточных вод.

В связи с невозможностью индивидуального аналитического определения всех присутствующих в воде органических соедине­ний прибегают к суммарной оценке их содержания по величине окисляемости, интенсивности запаха и привкуса и т. д.

Таким образом, примеси третьей группы существенно влия­ют на качество воды, изменяя ее органолептические показатели и увеличивая окисляемость. Некоторые окрашенные молекуляр­но растворенные органические соединения обусловливают цвет­ность воды.

Четвертая группа примесей представлена веществами, диссо­циирующими в воде на ионы, со степенью дисперсности менее 10^-7 см. Это главным образом соли, концентрация которых опре­деляет степень минерализации воды.

Общее содержание солей в воде приближенно оценивают по величине плотного остатка, под которым подразумевается сумма всех примесей воды, определяемая путем выпаривания и после­дующего высушивания предварительно профильтрованной пробы.

В практике водоподготовки плотный остаток обычно называ­ют сухим остатком, хотя последний определяется из нефильтро­ванной пробы, и таким образом в его состав входят все примеси, в том числе и нерастворенные. Такое смешение общепринятых понятий неверно, но оправдывается тем, что в маломутных, а тем более в питьевых водах результаты обоих определений очень близки, поскольку содержание взвеси в этих водах невелико, а величина плотного остатка значительна.

Более полное представление о составе примесей четвертой группы дает изучение ионного состава воды. Для подавляющего большинства природных вод общее солесодержание достаточно точно определяется катионами Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺ и анионами НСО^-, SC^2-₄, Cl^-. Остальные ионы обычно присутствуют в очень незначительных количествах, но могут существенно влиять на свойства и качество воды.

Вода электронейтральна, поэтому суммы концентраций ка­тионов и анионов, выраженные в мг-экв/л, равны. Учитывая пре­обладание в природных водах перечисленных семи ионов, можно записать:

[Са²⁺]+[[Mg²⁺] +[Na⁺]+[К⁺] = [НС0₃^-]+ [SO^2-₄ ] +[Сl^-].

Соотношение содержания отдельных ионов в природной воде зависит от общего солесодержания. Маломинерализованные во­ды рек и пресные артезианские воды содержат преимущественно катионы кальция и анионы НСO₃ .По мере повышения минера­лизации содержание Na⁺, K⁺, SO^2-₄, Cl^- в воде увеличивается. Суммарная концентрация катионов кальция и магния, выражен­ная в мг-экв/л, определяет общую жесткость воды.

Ионный состав воды обусловливает один из важнейших пока­зателей ее качества — щелочность. Общая щелочность опреде­ляется суммой анионов слабых кислот, способных реагировать с соляной или серной кислотой. Общая щелочность в зависимости от ионного состава воды включает бикарбонатную, карбонатную, гидратную составляющие. Поскольку из перечисленных анионов в большинстве природных вод преобладает анион НСО₃^-, их ще­лочность определяется концентрацией бикарбонатов. Однако это справедливо при условии, что величина рН не превышает 8,4. При более высоких значениях рН (от 8,4 до 12) бикарбонатная щелочность постепенно уменьшается при одновременном увели­чении карбонатной щелочности. При значениях рН>12 бикар­бонатная щелочность равна нулю, так как в этих условиях угле­кислота в растворе присутствует только в виде карбонат-ионов. В водах со значениями рН>9 следует учитывать и гидратную составляющую общей щелочности.

Данные анализов ионного состава воды удобно изображать графически. Для этого в определенном масштабе на двух парал­лельных соприкасающихся полосах в порядке, указанном на рис. 1, откладывают концентрации катионов и анионов в мг-экв/л. Графическое изображение результатов анализа позволяет представить гипотетический состав солей в воде. Например, в воде, по результатам анализа корой составлена диаграмма, приведенная на рис. 1, в, гипотетически присутствуют Ca(HCO₃)₂, Mg(HC0₃)₂, NaHC0₃, Na₂S0₄, NaCl, KCl. При известных кон­центрациях катионов и анионов можно вычислить и концентрации этих солей.

а)

б)

в)

Рис. 1 Диаграмма гипотетического состава солей в воде

Анионы на диаграмме распо­лагаются в порядке увеличения их кислотных свойств. Располо­жение катионов обусловлено тем порядком, в котором они будут образовывать малорастворимые соединения при постепенном уве­личении значения рН. Именно та­кой прием обработки, т. е. увели­чение щелочности среды, лежит в основе процессов реагентного умягчения, обезжелезивания во­ды аэрацией или известкованием.

Огромное влияние на качество и свойства воды оказывают соединения угольной кислоты. Вместе с ионами кальция они об­разуют карбонатно-кальциевую систему равновесий, самую сложную в природных водах.

Из рис. 2 видно, что с карбонатно-кальциевой системой непо­средственно связаны ионы водорода, и, таким образом, количе­ственные соотношения между отдельными компонентами систе­мы зависят от величины рН.

В условиях равновесия определенной концентрации бикарбо­натов соответствует определенное количество свободной угле­кислоты, называемой равновесной. Вода при этом стабильна, так как не происходит ни выпадения карбонатов, ни их дополни­тельного растворения.

Если количество растворенной углекислоты больше ее равно­весной концентрации, равновесие реакции (7) на рис. 2 сдвинет­ся вправо, что приведет к растворению СаСОз. Избыток СО₂сверх равновесной концентрации называется агрессивной углекислотой.

Рис. 2. Карбонатно-кальциевая система равновесий в природных водах

Контакт агрессивной воды с бетонными сооружения­ми приводит к вымыванию из них карбоната кальция.

Принедостатке СO₂ по сравнению с равновесной концентра­цией реакция (7) протекает справа налево, что приводит к допол­нительному образованию и выпадению в осадок малораствори­мого карбоната кальция.

Стабильность воды может быть оценена экспериментально или путем вычисления индекса насыщения воды карбонатом кальция по результатам определения в воде температуры, об­щего солесодержания, концентрации ионов кальция и общей ще­лочности. Основным и более точным методом является экспери­ментальный. Суть его состоит в определении общей щелочности или величины рН в исходной пробе и после встряхивания ее с карбонатом кальция в течение 1—2 ч.

Таким образом, качество природных вод оценивается ком­плексом различных химических, физико-химических, санитарно-бактериологических и гидробиологических показателей, опреде­ляемых соответствующим анализом.

2. Пригодность того или иного источника для целей водоснаб­жения определяется на основании данных его санитарного обсле­дования с учетом результатов гидрогеологических, гидрологиче­ских, топографических изысканий.

Вода источников водоснабжения не должна содержать неже­лательных примесей, которые не могут быть удалены современ­ными методами обработки, а концентрация загрязнений, подда­ющихся устранению, должна соответствовать эффективности применяемых методов обработки.

Согласно ГОСТ 2874—73 в воде источников водоснабжения нормируется содержание хлоридов (не более 350 мг/л) и суль­фатов (не более 500 мг/л) при общем солесодержании не более 1000 мг/л по плотному остатку. По согласованию с органами са­нитарно-эпидемиологической службы в исключительных случа­ях допускается использование воды источников с солесодержанием до 1500 мг/л. Кроме того, в воде источников водоснабже­ния нормируется содержание веществ, токсичных для человека.

Допустимый коли-индекс воды источников водоснабжения за­висит от способа ее очистки. Если намечается только хлорирова­ние, коли-индекс должен быть не более 1000, а при полной очи­стке воды — не более 10 000.

При несоответствии качества воды требованиям ГОСТ 2761 — 57 по тем или иным показателям, а также при содержании ки­шечных палочек более 10 000 в 1 л должна быть обеспечена дополнительная обработка воды, гарантирующая требуемое каче­ство питьевой воды.

Качество питьевой воды регламентируется ГОСТ 2874—73. Нормирование концентрации тех или иных веществ обусловлено необходимостью обеспечения благоприятных органолептических свойств питьевой воды, безвредности ее химического состава и безопасности воды в санитарном отношении. Несоответствие хо­тя бы одного из этих нормативов требованиям ГОСТ 2874—73 да­ет основания для признания непригодности воды для питьевых целей.

Для всех нормируемых веществ определен лимитирующий показатель вредности — органолептический или санитарно-токсикологический. Например, железо даже в больших концентрациях не оказывает токсического действия на организм человека, но придает воде желто-бурую окраску и металлический привкус, если его концентрация превышает 0,3 мг/л. Лимитирующим по­казателем вредности для соединений железа является органо­лептический. То же самое можно сказать о хлоридах, сульфатах, марганце. Напротив, такие химические вещества, как соединения стронция, нитраты, не изменяя органолептических свойств воды, оказываются токсичными для человека. Например, стронций в концентрациях более 2 мг/л подавляет активность многих фер­ментов. В то же время горько-вяжущий привкус у воды появля­ется только при концентрации стронция 12 мг/л. Для таких сое­динений лимитирующим показателем вредности является санитарно-токсикологический.

К числу органолептических показателей качества воды отно­сятся запах, привкус, мутность, цветность. Последние два пока­зателя относятся к органолептический, хотя определяются физи­ческими методами, поскольку они, так же как запах и привкус, приобретают значение при оценке качества воды лишь в меру восприятия органами чувств человека. Органолептические свой­ства воды нормируются: 1) по интенсивности допустимого изме­нения органолептических показателей (табл. 1); 2) по содер­жанию химических веществ, вредность которых определяется их способностью в минимальных концентрациях ухудшать органо­лептические показатели воды (табл. 2).

Таблица 1

Таблица 2

Согласно ГОСТ 2874—73, интенсивность специфических при­вкусов и запахов, появляющихся после хлорирования или любой другой реагентной обработки воды, должна быть не более 1 бал­ла, т. е. запах и привкус может быть обнаружен только опытным аналитиком.

Безвредность химического состава питьевой воды (санитарно-токсикологический показатель) обеспечивается нормировани­ем веществ: а) встречающихся в природных водах, таких, как соединения бериллия, молибдена, мышьяка, стронция и т.д.;

б) добавляемых к воде в процессе ее обработки реагентами, на­пример, полиакриламидом (ПАА); в) появляющихся в резуль­тате промышленного и сельскохозяйственного загрязнения водо­источника нефтепродуктами, пестицидами и другими вещест­вами.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) для веществ, указанных в пп. «а» и «б», приведены в табл. 3. Вещества, наз­ванные в п. «в», нормируются «Правилами охраны поверхност­ных вод от загрязнения сточными водами».

Таблица 3

Если в воде одновременно обнаруживается несколько ве­ществ, нормируемых по органолептическому или санитарно-токсикологическому показателям, суммарная концентрация их, вы­раженная в долях от ПДК каждого вещества, не должна превы­шать единицы, т. е.

где с — обнаруженные концентрации веществ, мг/л; С — ПДК для тех же веществ, мг/л.

Безопасность воды в санитарно-эпидемиологическом отношении гарантируется при условии соблюдения требований ГОСТ 2874—73 по бактериологическим показателям. Общее количество бактерий в 1 мл неразбавленной питьевой воды не должно превышать 100. Число бактерий группы кишечной палочки не должно быть более трех в 1 л воды. В питьевой воде должны отсутствовать организмы, различаемые невооруженным глазом.

Лекция № 2