Фильтры для очистки воды

Хохрякова Елена Анатольевна

От качества потребляемой воды зависит как здоровье человека, так и сроки эксплуатации бытового сантехнического оборудования, бытовой отопительной техники. Данная брошюра посвящена фильтрационному оборудованию, применяемому на бытовых системах водоснабжения, автономного отопления и ГВС. В ней доступно, но на высоком профессиональном уровне описывается конструкция, основные технические характеристики и сферы применения бытового фильтрационного оборудования в зависимости от его типа: промывные фильтры, картриджи, обратноосмотические фильтры, многоступенчатые системы. Отдельно рассматриваются вопросы обеззараживания воды, приводятся нормативы контроля ее качества. Книга может быть полезна, как потребителю, так и специалистам, в частности, по вопросам особенностей монтажа и допустимым условиям эксплуатации фильтрационного оборудования. В качестве примеров в книгу включены принципиальные схемы очистки воды в системах водоснабжения коттеджа, квартиры, дачи.

 

Введение

Вода, которую используют люди, живущие в самых различных условиях, поступает из многих источников. Это могут быть реки и озера, болота, другие водотоки и водоемы, колодцы и артезианские скважины. Соответственно, вода, добываемая из разных по происхождению источников, различается по своим качествам и свойствам.

Качество воды, потребляемой человеком, должно соответствовать определенным требованиям – она должна быть безопасной для здоровья человека и иметь оптимальный химический состав. В воде практически всегда присутствуют микроорганизмы и хорошо растворяются многие природные минералы и химические вещества, синтезированные человеком. Поэтому природные воды помимо огромного количества живых микроорганизмов, содержат минеральные и органические вещества природного и антропогенного происхождения.

В дополнение к этому масштабное загрязнение окружающей природной среды в результате деятельности человека привело к тому, что значительная часть природных вод оказалась загрязненной настолько, что употребление этой воды без очистки оказалось вредным для здоровья человека.

Вода, добываемая из разных источников, поступает на очистные сооружения, а далее в распределительные водопроводные сети. При этом значительная часть распределительных сетей в нашей стране настолько низкого качества, что они сами становятся источником загрязнения, т. е. питьевая вода, достаточно хорошо очищенная на городских очистных сооружениях, загрязняется при транспортировании ее к потребителю.

Такое вторичное загрязнение привело к тому, что основной мировой тенденцией в подготовке питьевой воды, стала ее доочистка с помощью фильтров малой производительности.

В настоящее время существует огромное количество фильтров и других устройств очистки воды. Потребность в воде у всех разная, поэтому существуют фильтры и фильтровальные установки, различающиеся по производительности – от нескольких литров до десятков и сотен кубометров в час.

Вода поступает к потребителям из различных источников, и эта причина тоже влияет на конечный выбор устройства для ее очистки.

Конечный результат зависит от достоверности сведений о составе воды (на основании химического анализа), квалифицированного подбора оборудования, правильно выполненного монтажа и запуска оборудования в эксплуатацию, от грамотного и своевременного обслуживания. В основном оно сводится к своевременному пополнению расходных реагентов и замене расходных материалов, например, таких, как сменные картриджи.

Главная задача этого издания – дать основные сведения, касающиеся состава природных вод из разных источников, дать краткую характеристику основным загрязняющим примесям и способам их удаления из воды.

Здесь даны начальные сведения об организации рационального водопотребления, сравнительный обзор нормативных документов, определяющих качество питьевой воды, принятых в России и за рубежом.

Значительная часть материала посвящена картриджным фильтрам, конструкциям их корпусов и различных сменных элементов, отличающихся по функциональному назначению: механических (разных конструкций), сорбционных, на основе угольных материалов, ионообменных и т. д. Дана информация по средствам и методам обеззараживания воды.

В конце книги приведены несколько типовых схем водоподготовки.

 

Происхождение воды

 

Источники получения питьевой воды в зависимости от водозабора подразделяют на две основные группы – подземные воды и поверхностные воды.

 

Подземные воды

 

Артезианские воды

Речь идет о водах, которые с помощью насоса поднимаются на поверхность из подземного пространства. Они могут залегать под землей в несколько слоев или так называемых ярусов, которые изолированы друг от друга и отделены хотя бы одним водонепроницаемым слоем от подрусловой воды. Пористые грунты (особенно пески) оказывают фильтрующее и, следовательно, очищающее действие, в отличие от трещиноватых горных пород. При длительном нахождении воды в пористых грунтах артезианская вода достигает средних температур почвы (8–12 °С) и свободна от микробов. Химический состав артезианской воды, как правило, является постоянным. Благодаря этим свойствам артезианская вода является особо предпочтительной для целей питьевого водоснабжения.

 

Подрусловые воды

Эта вода добывается насосами из скважин, глубина которых соответствует отметкам дна ручья, реки или озера. Качество такой воды в значительной степени определяется поверхностной водой в самом водотоке, т. е. вода, добытая при помощи инфильтрационного водозабора, является тем более пригодной для питьевых целей, чем чище вода в самом ручье, реке или озере. При этом могут иметь место колебания ее температуры, запаха, химического состава.

 

Родниковая вода

Речь идет о подземной воде, самоизливающейся естественным путем на поверхность земли. Родниковая вода по своему составу испытывает сильные колебания не только в кратковременные периоды времени (дождь, засуха), но и по временам года (например, таяние снега).

 

Поверхностные воды

 

Речная вода

Речная вода сильнее всего подвергается загрязнению, поэтому в последнюю очередь пригодна для целей питьевого водоснабжения. Она загрязняется продуктами жизнедеятельности людей и животных. В еще большей степени загрязнение речных вод происходит поступающими сточными водами промышленных предприятий.

Способность реки к самоочищению может лишь частично справиться с этими загрязнениями. Подготовка речной воды для целей питьевого водоснабжения затрудняется из-за сильных колебаний загрязнения речной воды, как в количественном отношении, так и по своему составу.

 

Озерная вода

Эта вода, даже добытая с больших глубин, крайне редко является безупречной в биологическом отношении и поэтому должна проходить специальную очистку до питьевых кондиций.

 

Вода из водохранилищ

Речь идет о воде из небольших речек и ручьев, которые запружены в верхнем течении, где вода менее всего загрязнена. При выборе способа и объема необходимых мероприятий по водоподготовке решающим является то, насколько сильно эта вода загрязнена и насколько высока самоочищающая способность этого «хранилища питьевой воды».

 

Морская вода

Морская вода не может без обессоливания подаваться в сеть питьевого водоснабжения. Она добывается и проходит водоподготовку только у морского побережья и на островах, если нет возможности использовать другой источник водоснабжения.

 

Показатели качества воды и их определение. Влияние на здоровье человека

 

Под качеством природной воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01–77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

 

Органолептические показатели

 

Любое знакомство со свойствами воды начинается с определения органолептических показателей, т. е. таких, для определения которых мы пользуемся нашими органами чувств (зрением, обонянием, вкусом).

Органолептическая оценка приносит много прямой и косвенной информации о составе воды. К органолептическим характеристикам относятся: цветность, мутность (прозрачность), запах, вкус, привкус.

 

Мутность и прозрачность

Мутность воды вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органическими веществами различного происхождения.

Качественное определение проводят описательно: мутность не заметна (отсутствует), слабая опалесценция, опалесценция, слабомутная, мутная и сильная муть. В России мутность чаще всего измеряют в нефелометрических единицах мутности НЕФ (NTU) для небольших значений в пределах 0–40 НЕФ (NTU), например для питьевой воды. В условиях большой мутности обычно применяется измерение единиц мутности по формазину (ЕМФ). Пределы измерений – 40–400 ЕМФ.

Наряду с мутностью, особенно в случаях, когда вода имеет незначительные окраску и мутность, и их определение затруднительно, пользуются показателем «прозрачность».

Мера прозрачности – высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в сантиметрах (табл. 1).

Таблица 1. Характеристика вод по прозрачности

Мутность не только отрицательно влияет на внешний вид воды. Главным отрицательным следствием высокой мутности является то, что она защищает микроорганизмы при ультрафиолетовом обеззараживании и стимулирует рост бактерий. Поэтому во всех случаях, когда производится дезинфекция воды, мутность должна быть минимальной для обеспечения высокой эффективности этой процедуры. В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды мутность не должна превышать 1,5 мг/л по каолину.

 

Запах

По характеру запахи делят на две группы:

• естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.);

• искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод).

Интенсивность запаха оценивают по шестибалльной шкале – табл. 2.

Таблица 2. Характеристика вод по интенсивности запаха

Таблица 3. Запахи естественного происхождения

Запахи второй группы (искусственного происхождения) называют по определяющим запах веществам: хлорный, бензиновый и т. д.

 

Вкус и привкус

Интенсивность вкуса и привкуса определяется также по 6-балльной шкале – табл. 4.

Таблица 4. Характеристика вод по интенсивности вкуса

Для питьевой воды допускаются значения показателей вкуса и привкуса не более 2 баллов.

Различают четыре вида вкусов: соленый, горький, сладкий, кислый.

Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений – привкуса – выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так далее. Наиболее распространенный соленый вкус воды чаще всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький – сульфатом магния, кислый – избытком свободного диоксида углерода и т. д. Порог вкусового восприятия соленых растворов характеризуется такими концентрациями (в дистиллированной воде), мг/л: NaCl – 165; CaCl2 – 470; MgCl2 – 135; MnCl2 – 1,8; FeCl2 – 0,35; MgSO4 – 250; CaSO4 – 70; MnSO4 – 15,7; FeSO4 – 1,6; NaHCO3 – 450. По силе воздействия на органы вкуса ионы некоторых металлов выстраиваются в следующие ряды: катионы: NH4+ > Na+ > K+; Fe2+ > Mn2+ > Mg2+ > Ca2+; анионы: ОН- > NO3- > Cl- > HCO3- > SO42-.

 

Цветность

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений, выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами.

Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа, колеблется от единиц до тысяч градусов – табл. 5.

Таблица 5. Характеристика вод по цветности

 

Взвешенные примеси

Взвешенные твердые примеси, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды.

Содержание в воде взвешенных примесей, измеряемое в мг/л, дает представление о загрязненности воды частицами, в основн ом, условным диаметром более 10-4 мм – табл. 6.

Таблица 6. Характеристика вод по содержанию взвешенных примесей

 

Водородный показатель (рН)

Величина pH воды – один из важнейших показателей качества вод для определения стабильности воды, ее накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. Если рассматривать воду без примесей, то физическая сущность рН может быть описана следующим образом.

Вода, хотя и весьма незначительно, диссоциирует на ионы водорода H+ и гидроксила ОН- по уравнению:

Н2О ↔ H+ + ОН-

Произведение концентраций этих ионов, являющееся при данной температуре постоянной величиной, называется ионным произведением воды – КW.

КW = (H+) (ОН-) =10-14

Увеличение концентрации водородных ионов вызывает соответствующее уменьшение гидроксид-ионов и наоборот.

Для нейтральной среды [H+]=[ОН-] = √10-14 =10-7 = моль/л.

Для оценки кислотности и щелочности среды удобно пользоваться не концентрацией водородных ионов, а водородным показателем рН. Он равен десятичному логарифму концентраций водородных ионов, взятому с обратным знаком.

pH = −lg[H+]

Если в воде растворено какое-либо вещество, которое само источник ионов H+ и ОН- (примеры: кислоты НСl, H2SO4, HNO3 и др.; щелочи: NaOH, KaOH, Ca(OH)2 и др.), то концентрации ионов H+ и ОН- не будут равны, но их произведение КW будет постоянно.

Если в воде пониженное содержание свободных ионов водорода, по сравнению с ионами ОН-, то рН>7 и вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н+ вода будет иметь кислую реакцию и рН<7.

Воду в зависимости от рН рационально делить на семь групп (табл. 7).

Таблица 7. Классификация вод по рH

От величины pH зависит развитие и жизнедеятельность многих организмов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. Величина pH воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ.

В соответствии с требованиями к составу и свойствам питьевой воды, величина pH не должна выходить за пределы интервала значений 6,0–9,0. Контроль уровня рН особенно важен на всех стадиях водоочистки, так как его «уход» в ту или иную сторону может не только существенно сказаться на запахе, привкусе и внешнем виде воды, но и повлиять на эффективность водоочистных мероприятий.

При низком рН вода обладает высокой коррозионной активностью, а при высоких уровнях (рН>11) вода приобретает характерную мылкость, неприятный запах, вызывает раздражение глаз и кожи.

 

Минерализация

Минерализация – суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ. Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводимость варьирует от 30 до 1500 мкСм/см. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40–50 мг/л до сотен г/кг (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводимость атмосферных осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/л составляет значения 10–120 мкСм/см.

Таблица 8. Характеристика вод по минерализации

Предел пресных вод – 1 г/л – установлен в связи с тем, что при минерализации более этого значения вкус воды неприятен – соленый или горько-соленый.

Предел – граница между солоноватыми и солеными водами – принят на том основании, что при минерализации около 25 г/л температура замерзания воды и температура наибольшей плотности морской воды совпадают, и при этом меняются некоторые свойства воды.

Граница 50 г/л между солеными водами и рассолами обусловлена тем, что соленость больше этого значения не бывает в морях; такая соленость характерна только для соленых озер и некоторых подземных вод.

Таблица 9. Характеристика вод по общей минерализации (наиболее распространенная градация)

В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды суммарная минерализация не должна превышать величины 1000 мг/л. Вода, содержащая большое количество солей, отрицательно влияет на растения и человека, вызывает образование накипи на стенках котлов, коррозию, засоление почв. Регулярное употребление высокоминерализованной воды ведет к болезням пищеварения, обмена веществ, повышенной сухости кожи.

 

Жесткость

Жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция (Са2+), магния (Mg2+), стронция (Sr2+), бария (Ва2+), железа (Fe2+,Fe3+), марганца (Mn2+). Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов – и даже их суммы. Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния – общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая – наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Однако при значении жесткости воды более 9 ммоль/л нужно учитывать содержание в воде стронция и других щелочноземельных металлов.

По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом. Содержание в питьевой воде кальция и магния играет важнейшую роль для человеческого организма. Недостаточность кальция в организме негативно сказывается на функции сердечной мышцы и на активности некоторых ферментов. А недостаток содержания кальция в крови ведет к понижению возбуждаемости нервной системы и, как следствие, к возникновению судорог. Кальций необходим для формирования костных тканей, в том числе зубов. Соли магния также необходимы человеку, поскольку входят в ряд жизненно важных ферментов. Дефицит магния приводит к коронарной болезни сердца; с другой стороны, повышенное содержание магния угнетающе действует на нервную систему, поражая двигательные нервные окончания.

По значению общей жесткости природные воды делят на группы – табл. 10.

Таблица 10. Классификация воды по жесткости

В естественных условиях ионы кальция и магния, определяющие жесткость, поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с карбонатными минералами и других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов являются также микробиологические процессы, протекающие в почвах. Обычно преобладает жесткость, обусловленая ионами кальция (до 70 %); однако в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать 50–60 %. Жесткость морской воды и океанов значительно выше (десятки ммоль/л). Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего – в период половодья.

Росстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3). Один моль на кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция (Ca2+) 20,04 г/м3 (мг/л) или ионов магния (Mg2+) 12,153 г/м3 (мг/л). Т. е., 1 моль/м3 = 1 ммоль/л = 1 мг-экв/л = 1 мг-экв/дм3. В зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус (ppm CaCO3).

Основные единицы жесткости воды и их соотношение:

Повышенная жесткость воды негативно отражается на здоровье человека. В быту появление накипи приводит к уменьшению срока службы водонагревателей, ухудшаются моющие свойства мыла и стиральных порошков, из-за горьковатого привкуса ухудшаются вкусовые свойства воды.

Порог вкуса для иона кальция лежит в диапазоне 2–6 ммоль/л, в зависимости от соответствующего аниона. Порог вкуса для магния и того ниже, наилучшие вкусовые свойства имеет вода с жесткостью 1,6–3,0 ммоль/л.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) не регламентирует величину жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что несмотря на выявленную статистическим путем зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, этих данных недостаточно для вывода о причинном характере этой связи. Однозначно не доказано и то, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

 

Растворенный кислород

Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т. е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Содержание растворенного кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды и др. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. В зимний и летний периоды количество кислорода в воде различается. Дефицит кислорода чаще наблюдается в водных объектах с высокими концентрациями загрязняющих органических веществ и в водоемах, содержащих большое количество биогенных и гумусовых веществ. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов – 6 мг/л (для ценных пород рыбы) и 4 мг/л (для остальных пород).

Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры, количества организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению.

Концентрация кислорода в воде определяет направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Понижение содержания кислорода до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыбы в водоемах. Неблагоприятно сказывается на состоянии водных объектов и чрезмерное насыщение воды кислородом в результате процессов фотосинтеза, если это происходит в водоемах с застойной водой.

Содержание кислорода в водоемах с различной степенью загрязненности:

Таблица 11. Уровень загрязненности воды и класс качества

 

Биогенные элементы

 

Вопросы контроля качества воды внесли в понятие биогенных элементов широкий смысл: к ним относят соединения (точнее, компоненты воды), которые, во-первых, являются продуктами жизнедеятельности различных организмов; во-вторых, являются «строительным материалом» для живых организмов. В первую очередь к ним относятся соединения азота (нитраты, нитриты, органические и неорганические аммонийные соединения), фосфора (ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной кислоты и др.).

Соединения серы интересны в этой связи, в меньшей степени, так как сульфаты уже рассматривали в аспекте компонента минерального состава воды, а сульфиды и гидросульфиты, если присутствуют в природных водах, то в очень малых концентрациях и могут быть обнаружены по запаху.

 

Нитраты

Нитраты являются солями азотной кислоты. Повышенное содержание нитратов в воде может служить индикатором загрязнения водоема в результате распространения фекальных либо химических загрязнений (сельскохозяйственных, промышленных). Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 для питьевой воды ПДК нитратов составляет 45 мг/л. Питьевая вода и продукты питания, содержащие повышенное количество нитратов, могут вызывать заболевания, в первую очередь у младенцев (так называемая метгемоглобинемия), а также людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Допустимое суточное потребление по рекомендациям ВОЗ – 5 мг/кг массы. В этом случае особенно опасны грунтовые воды и питаемые ими колодцы, поскольку в открытых водоемах нитраты частично потребляются водными растениями. Вместе с тем, растения не так чувствительны к увеличению содержания в воде азота, как фосфора.

 

Фосфаты и общий фосфор

Фосфор является необходимым элементом для жизни, однако его избыток приводит к ускоренной эвтрофикации водоемов. Большие количества фосфора могут попадать в водоемы в результате естественных и антропогенных процессов – поверхностной эрозии почв, неправильного или избыточного применения минеральных удобрений и др.

ПДК полифосфатов в воде водоемов составляет 3,5 мг/л в пересчете на фосфат-ион РО43-, лимитирующий показатель вредности – органолептический.

 

Биохимическая потребность в кислороде (БПК)

БПК – показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ. Природными источниками органических веществ являются разрушающиеся останки организмов растительного и животного происхождения, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т. п. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ.

В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. Таким образом, в процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации кислорода, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ.

Чаще определяют биохимическое потребление кислорода за пять суток – БПК5, и, как правило, этот показатель в поверхностных водах находится в пределах 0,5–4,0 мг/л.

Таблица 12. Характеристика вод по БПК5

Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрификации (окисление азотсодержащих соединений нитрофицирующими бактериями), искажающий характер потребления кислорода.

Норматив на БПК для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования – 3 мг/л, для водоемов культурно-бытового водопользования – 6 мг/л.

 

Аммоний

Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Образовавшийся таким образом аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза белков. По этой причине аммоний и его соединения в небольших концентрациях обычно присутствуют в природных водах.

Аммонийные соединения в больших количествах входят в состав минеральных и органических удобрений, кроме того, аммонийные соединения в значительных количествах присутствуют в нечистотах (фекалиях). По этим причинам повышенное содержание аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяйственно-фекальных загрязнений.

ПДК аммиака и ионов аммония в воде водоемов составляет 2,6 мг/л. Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 ПДК аммония в питьевой воде составляет 2,0 мг/л. По данным ВОЗ, содержание аммония не должно превышать 0,5 мг/л. Постоянный прием внутрь воды с повышенным содержанием аммония вызывает хронический ацидоз и изменения в тканях.

 

Нитриты

Нитритами называются соли азотистой кислоты. Нитрит-анионы являются промежуточными продуктами биологического разложения азотсодержащих органических соединений. Благодаря способности превращаться в нитраты, нитриты, как правило, отсутствуют в поверхностных водах. ПДК нитритов (по NО2-) в воде водоемов составляет 3,3 мг/л, для питьевой воды – 2,0 мг/л.

 

Фтор (фториды)

Фтор в виде фторидов может содержаться в природных и грунтовых водах. Избыток фтора в организме вызывают разрушение зубной эмали, осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена. По этим причинам определение фтора в питьевой воде, а также грунтовых водах (например, воде колодцев и артезианских скважин) и воде водоемов хозяйственно-питьевого назначения, является очень важным. ПДК фтора в питьевой воде для разных климатических районов составляет от 0,7 до 1,5 мг/л.

 

Металлы

 

Железо общее

Железо – один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом.

В природной воде железо содержится в виде соединений, в которых железо может быть двух– или трехвалентным. В свою очередь, соединения железа могут образовывать истинные или коллоидные растворы. На воздухе двухвалентное железо быстро окисляется до трехвалентного, растворы которого имеют бурую окраску.

Таким образом, поскольку соединения железа в воде могут существовать в различных формах, точные результаты могут быть получены только при определении суммарного железа во всех его формах, так называемого «общего железа», хотя иногда возникает необходимость определить железо в его индивидуальных формах.

Двухвалентное железо (Fe2+) почти всегда находится в воде в растворенном состоянии, хотя возможны случаи при определенных уровнях рН, когда гидроксид железа (II) выпадает в осадок. Реакция окисления Fe2+ ↔ Fe3+ широко распространена в природе. Трехвалентное железо (Fe3+) – гидроксид железа (III), Fe(OH)3 – нерастворим в воде. Органическое железо встречается в воде в разных формах и в составе различных комплексов. Органические соединения железа, как правило, растворимы или имеют коллоидную структуру и очень трудно поддаются удалению.

Железобактерии встречаются практически везде. Их «визитной карточкой» можно считать ржавую слизь, покрывающую трубы водопровода. Некоторые виды бактерий (например, Gallionella ferruginea, вид стебельчатых, лентоподобных бактерий) «питаются» растворенным железом в процессе своей жизнедеятельности. При этом происходит преобразование двухвалентного железа в трехвалентное, которое сохраняется в желеобразной оболочке вокруг бактерии, при отмирании железобактерии откладываются в виде вышеупомянутой слизи.

Коллоидное железо – это нерастворимые, невидимые глазу частицы размером менее 1 микрона. Из-за малого размера их очень сложно удалить фильтрованием с помощью гранулированных фильтрующих материалов. Крупные органические молекулы (такие как танины и лигнины) также попадают в эту категорию. Коллоидные частицы из-за своего малого размера и высокого поверхностного заряда, отталкивающего частицы друг от друга и препятствующего их укрупнению, создают в воде суспензии, которые не выпадают в осадок, а находятся во взвешенном состоянии. Коллоидное железо характерно для поверхностных вод (коллоиды Fe(OH)3).

Некоторые органические молекулы способны связывать железо в сложные растворимые комплексы, называемые хелатами. Так, прекрасными хелатообразующими агентами являются фульво– и гуминовые кислоты, играющие важную роль в почвенном ионообмене.

Основной формой железа в поверхностных водах являются комплексные соединения трехвалентных ионов железа с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом с солями гуминовых кислот – гуматами. В болотных водах, где много гумусовых веществ, всегда много железа. При рН = 8,0 основной формой железа в воде является гидроксид железа Fe(OH)3, находящаяся во взвешенной коллоидной форме. В подземных водах железо присутствует в основном в растворенном двухвалентном виде. Трехвалентное железо при определенных условиях также может присутствовать в воде в растворенном виде как в форме неорганических солей (например, сульфатов), так и в составе растворимых органических комплексов.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 содержание железа не должно превышать 0,3 мг/л (а по нормам Европейского сообщества даже 0,2 мг/л). При уровне установленного ВОЗ (Всемирной организацией здравоохранения) переносимого суточного потребления (ПСП) железа, равном 0,8 мг/кг массы тела человека, безопасное для здоровья суммарное содержание железа в воде составляет 2 мг/л. Избыток железа, в первую очередь, оказывает токсическое влияние на печень, селезенку, головной мозг; может усиливать протекание воспалительных процессов.

Дефицит железа в организме приводит к анемии, патологиям сердечной мышцы и скелетных мышц, а также может быть причиной снижения иммунитета. Железо незаменимо в процессах кроветворения и внутриклеточного обмена.

 

Тяжелые металлы

Понятие «тяжелые металлы» не относится к строго определенным. Разные авторы в составе группы тяжелых металлов указывают разные химические элементы. В экологических публикациях в эту группу включают около 40 элементов с атомной массой более 50 атомных единиц.

Н. Ф. Реймерс относит к тяжелым металлы с плотностью более 8 г/см3, выделяя при этом подгруппу благородных металлов. Таким образом, к собственно «тяжелым» отнесены медь, никель, кадмий, кобальт, висмут, ртуть, свинец.

Группа специалистов, работающая под патронажем Европейской экономической комиссии ООН и занимающаяся мониторингом выбросов в окружающую природную среду тяжелых металлов, включает в эту группу также цинк, мышьяк, селен, сурьму.

Есть и другие классификации. Тяжелые металлы по характеру биологического воздействия можно подразделить на токсиканты и микроэлементы, имеющие принципиально различный характер влияния на живые организмы.

Как видно из рис. 1, токсиканты оказывают отрицательное воздействие на организмы при любой концентрации, в то время как микроэлементы имеют область недостаточности, вызывающей отрицательный эффект (менее С1), и область необходимых для жизни концентраций, при превышении которых снова возникает отрицательный эффект (более С2). Типичными токсикантами являются: кадмий, свинец, ртуть; микроэлементами – марганец, медь, кобальт.

Медь. Медь является микроэлементом, содержится в организме человека, главным образом, в виде комплексных органических соединений и играет важную роль в процессах кроветворения. Отравления соединениями меди могут приводить к расстройствам нервной системы, нарушению функций печени и почек и др. ПДК меди в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения составляет 1,0 мг/л, лимитирующий показатель вредности – органолептический.

Цинк. Цинк является микроэлементом и входит в состав некоторых ферментов. Отрицательное воздействие соединений цинка может выражаться в ослаблении организма, повышенной заболеваемости, астмоподобных явлениях и др. ПДК цинка в воде водоемов составляет 1,0 мг/л, лимитирующий показатель вредности – общесанитарный.

Кадмий. Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма – органы дыхания и желудочно-кишечный тракт, центральную и периферическую нервные системы. ПДК кадмия в воде водоемов составляет 0,001 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический.

Ртуть. Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей. Соединения ртути вызывают глубокие нарушения функций центральной нервной системы, сердца, сосудов, нарушения иммунной системы организма и другие. ПДК ртути в воде водоемов составляет 0,0005 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический.

Свинец. Соединения свинца – яды, действующие на все живое, но вызывающие изменения особенно в нервной системе, крови и сосудах. Органические соединения свинца (тетраметилсвинец, тетраэтилсвинец) – сильные нервные яды, являются активными ингибиторами обменных процессов. Для всех соединений свинца характерно кумулятивное действие. ПДК свинца в воде водоемов составляет 0,03 мг/л, лимитирующий показатель – санитарно-токсикологический.

Рис. 1. Характер эффекта, оказываемого элементом на организмы, в зависимости от его концентрации в воде: а – токсиканты, b – микроэлементы.

 

Органические вещества

Спектр органических примесей очень широк:

• группа растворенных примесей:

• гуминовые кислоты и их соли;

• гуматы натрия, калия, аммония;

• некоторые примеси промышленного происхождения;

• часть аминокислот и белков;

• группа нерастворенных примесей:

• фульвокислоты (соли) и гуминовые кислоты и их соли;

• гуматы кальция, магния, железа;

• жиры различного происхождения;

• частицы различного происхождения, в том числе микроорганизмы.

Содержание органических веществ в воде оценивается по методикам определения окисляемости воды, содержания органического углерода, биохимической потребности в кислороде, а также поглощения в ультрафиолетовой области.

Величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях, называется окисляемостью. Существует несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая (методики определения двух последних применяются редко).

Окислители могут действовать и на неорганические примеси, например, на ионы Fe2+, S2-, NO-2, но соотношение между этими ионами и органическими примесями в поверхностных водах существенно сдвинуто в сторону органических примесей, то есть «органики» в решающей степени больше.

В подземных водах (артезианских) это соотношение – обратное, то есть органических примесей гораздо меньше, чем указанных ионов. Практически их совсем нет. К тому же неорганические примеси могут определяться непосредственно индивидуально.

Для природных малозагрязненных вод рекомендовано определять перманганатную окисляемость (перманганатный индекс); в более загрязненных водах определяют, как правило, бихроматную окисляемость (ХПК).

Окисляемость перманганатная измеряется мгО/л, если учитывается масса ионов кислорода в составе перманганата калия, пошедшего на окисление «органики», или мг KMnО4/л, если оценивается количество перманганата калия, пошедшего на окисление «органики» – табл. 13.

Таблица 13. Характеристика вод по перманганатной окисляемости

 

Интегральные показатели качества вод – индексы качества

 

Каждый из показателей качества воды в отдельности хотя и несет информацию о качестве воды, все же не может служить мерой качества воды, т. к. не позволяет судить о значениях других показателей. Вместе с тем, результатом оценки качества воды должны быть некоторые интегральные показатели, которые охватывали бы основные показатели качества воды (либо те из них, по которым зафиксировано неблагополучие).

 

Гидрохимический индекс загрязнения воды

В простейшем случае, при наличии результатов по нескольким оцениваемым показателям, может быть рассчитана сумма приведенных концентраций компонентов, т. е. отношение их фактических концентраций к ПДК.

Сумма приведенных концентраций может рассчитываться только для химических веществ с одинаковым лимитирующим показателем вредности – органолептическим и санитарно-токсикологическим.

При наличии результатов анализов по достаточному количеству показателей можно определять классы качества воды, которые являются интегральной характеристикой загрязненности поверхностных вод. Классы качества определяются по индексу загрязнения воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма:

где С ί – фактическая средняя концентрация ί-й примеси за контролируемый период, мг/л;

ПДКί – предел допускаемой концентрации ί-й примеси, мг/л; N – количество примесей. Должны анализироваться не менее 7 примесей, которые в данном водоисточнике считаются наиболее значимыми по санитарно-токсикологическому признаку.

Значение ИЗВ рассчитывают для каждого пункта отбора проб (створа). Далее по таблице 15, в зависимости от значения ИЗВ, определяют класс качества воды.

Таблица 14. Характеристики интегральной оценки качества воды

В число 7 основных, так называемых «лимитируемых» показателей, при расчете ИЗВ в обязательном порядке входят: концентрация растворенного кислорода и значение БПК5, а также значения еще четырех показателей, являющихся для данного водоема (воды) наиболее неблагополучными или имеющих наибольшие приведенные концентрации.

Для расчета ИЗВ показатели выбираются независимо от лимитирующего признака вредности, однако при равенстве приведенных концентраций предпочтение отдается веществам, имеющим санитарно-токсикологический признак вредности (как правило, такие вещества обладают относительно большей вредностью).

Задачи интегральной оценки качества воды практически совпадают с задачами гидрохимического мониторинга, т. к. для окончательного вывода о классе качества воды необходимы результаты анализов по целому ряду показателей в течение продолжительного периода.

 

Микробиологические показатели

Уровень загрязненности и класс качества водных объектов иногда устанавливают в зависимости от микробиологических показателей. Одна из классификаций приведена в таблице 14.

Таблица 15. Оценка качества вод по микробиологическим показателям

 

Нормативно-технические документы водно-санитарного законодательства

Вода, которую используют люди, живущие в самых различных условиях, поступает из многих источников. Это могут быть реки и озера, болота, другие водотоки и водоемы, колодцы и артезианские скважины. Соответственно, вода, добываемая из разных по происхождению источников, различается по своим качествам и свойствам.

Существует большая вероятность того, что даже вода из близко расположенных друг к другу источников будет значительно отличаться по качеству.

Промышленные предприятия, здравницы, коммерческие компании, больницы и прочие лечебные учреждения, сельские жители и жители мегаполисов – все предъявляют свои, особые, требования к качеству воды.

Именно поэтому фильтрация воды необходима тогда, когда качество воды не отвечает требованиям потребителей.

Требования к качеству и безопасности воды установлены в следующих основных нормативных документах, перечисленных в таблице.