Водопроводная вода

Россия богата водными ресурсами: в ней сосредоточено более 20 % мировых запасов пресных поверхностных и подземных вод. Источни­ками водоснабжения в большинстве регионов РФ являются поверхно­стные воды рек и озер, на долю которых приходится 65—68 % от обще­го объема водозабора. Подземные воды на территории РФ использу­ются достаточно неравномерно. Вода из артезианских скважин состав­ляет более 70 % общего водозабора в Брянской, Владимирской, Смо­ленской, Тульской, Орловской и некоторых других областях. Менее 20 % составляет водозабор подземных вод в Новгородской, Архан­гельской, Мурманской, Костромской, Ярославской и некоторых дру­гих областях с неблагоприятными для этого гидрогеологическими условиями.

Несмотря на богатые водные ресурсы, более половины населе­ния страны пользуется недоброкачественной питьевой водой, содер­жащей значительные количества 3В. Особенно тяжелое положение с загрязнением поверхностных источников сложилось в Астраханской, Кемеровской, Калининградской, Томской, Тюменской, Ярославской, Курганской областях и Приморском крае.

Получение питьевой воды. Технология очистки воды с забором из поверхностных источни­ков чаще всего включает последовательное проведение следующих стадий: а) предварительное хлорирование; б) реагентная обработка солевым коагулянтом и отстаивание; в) осветление (фильтрование) на песчаных фильтрах; г) хлорирование. С середины 1980-х годов па не­которых зарубежных водопроводных станциях Англии, Австралии и других стран стали включать обязательное фильтрование воды через загрузку с активированным углем, обеспечивающим удаление из воды органических примесей.

При заборе воды из подземных источников, имеющей, как пра­вило, незначительную мутность и повышенное солесодержание, не используют солевые коагулянты, а применяют специальные техноло­гические приемы (обезжелезивание, удаление сероводорода, деманганация и др.). Иногда подземные воды соответствуют нормативным требованиям, тогда процесс водоподготовки значительно упрощается.

Природные воды — сложные многокомпонентные системы, со­держащие частицы различной дисперсности (взвесь, коллоиды, моле­кулы, ионы). В зависимости от природы содержащихся в воде приме­сей различают мутные и цветные воды. В мутных водах преобладают неорганические примеси (кремниевая кислота, алюмосиликаты), нахо­дящиеся во взвешенном (дисперсном) состоянии. Цветность природ­ных вод обусловлена присутствием солей железа гуминовых и фульвокислот, находящихся в коллоидном или истинно растворенном со­стоянии.

Осветление воды производится с использованием коагулянтов[23].

Обработкой во­ды коагулянтами можно также устранить до 80-90 % веществ, обу­словливающих цветность воды, видимо, за счет их сорбции на поверх­ности продуктов гидролиза коагулянтов.

В качестве коагулянтов в водоподготовке применяют соли по­ливалентных металлов - сернокислый алюминий А1₂(SO₄)₃*18Н₂O, сульфат закисного железа FеSO₄*7Н₂O, хлорное железо FеСl₃*7Н₂О и некоторые другие. Попадая в воду, солевые коагулянты гидролизуются с образованием труднорастворимых оснований или основных солей, например:

FеСl₃ + 3Н₂О Fе(ОН)₃+ 3НС1

Fе³⁺ + 3Н₂О Fе(ОН)₃ + 3Н⁺

Процесс гидролизасолевого коагулянта сопровождается вы­делением кислоты, которая для смещения равновесия должна быть связана. В природной воде связывание ионов водорода происходит согласнореакции:

Н⁺ + НСО^3- CO₂ + Н₂О

Наличие бикарбонат-ионов в воде является необходимым усло­вием для обеспечения глубокого протекания процесса гидролиза. При малой щелочности исходную воду подщелачивают известью, едким натром или содой.

Агрегативная устойчивость коллоидных систем объясняется су­ществованием двойного электрического слоя ионов и скачка потен­циала на границе раздела фаз. Возникновение заряда у коллоидных частиц обусловливается избирательной адсорбцией ионов определен­ного знака из дисперсионной среды или же диссоциацией поверхност­ных молекул, образующих частицу. Обычно ядро коллоидной частицы адсорбирует ионы, в составе которых находятся элементы или атом­ные группировки, имеющиеся в веществе ядра частицы (правило Пес­кова-Фаянса).

Коллоиднаячастица (мицелла) в целом электронейтральна, таккак к ней притягиваются ионы противоположного знака. Таким обра­зом, вокруг частицы возникает двойной электрический сдой, внутрен­няя обкладка которого расположена на поверхности частицы, а внеш­няя граничит с жидкостью, окружающей частицу. Этот внешний слой называется диффузным, причем его заряд будет равен и противополо­жен по знаку заряду частицы. Концентрация противоионов макси­мальна у поверхности (плотный ионный слой) и убывает с увеличени­ем расстояния от поверхности частицы. Структуру мицеллы Fе(ОН)₃, образовавшуюся при гидролизе FеС1₃ (слабокислая или нейтральная среда), можно представить формулой

Гидроксиды железа или алюминия, образовавшиеся в результате протекания гидролиза и находящиеся вначале в коллоидном состоя­нии, имеют положительно заряженные частицы (гранулы). Основная масса коллоидных частиц природной воды имеет отрицательный за­ряд. За счет взаимной нейтрализации частиц нарушается их агрегатив­ная и кинетическая устойчивость, происходит слипание и седимента­ция (взаимная коагуляция коллоидов).

Процесс коагуляции имеет две стадии - скрытую и явную.Наскрытой стадии происходит формирование коллоидного раствора Fе(ОН)₃ и образование микрохлопьев. Именно на этой стадии коагу­ляции вода в основном и очищается от первичных коллоидных приме­сей; на следующей, второй, стадии процесса, образуются крупные хло­пья (флокулы) размером 1-3 мм, которые, обладая высокой сорбционной способностью, дополнительно извлекают примеси из воды.

Большое влияние на процесс коагуляции оказывает температура и режим перемешивания. При повышении температуры увеличивается скорость и глубина гидролиза, скорость формирования и отделения твердой фазы, что в конечном результате ускоряет и углубляет коагу­ляцию примесей. Для интенсификации процесса коагуляции в обрабатываемую воду вводят специальные вещества - флокулянты. Сущность процесса флокуляции состоит в том, что агрегация коллоидных частиц в этом случае происходит не только непосредственно, но и через молекулы флокулянта. В качестве флокулянтов используют неорганические (ак­тивная кремнекислота) или органические высокомолекулярные соеди­нения, среди которых наиболее широкое применение получил полиакриламид.

За счет отстаивания (седиментации) не удается получить воду с концентрацией твердой фазы менее 10 мг/л, поэтому воду дополни­тельно подвергают фильтрованию через насыпные фильтры. В качест­ве фильтрующих материалов чаще всего используют кварцевый песок. После насыщения фильтра взвесью его регенерируют (промывают) обратным током воды.

Обеззараживание воды. Опасность заболеваний человека от микробиологического за­грязнения воды многократно выше, чем при ее загрязнении химиче­скими веществами различной природы. Большинство микроорганиз­мов безвредно для человека, а некоторые из них даже полезны. Однако в воде существуют микробы и вирусы, являющиеся причиной тяжелых инфекционных заболеваний (брюшной тиф, дизентерия, холера, ви­русный гепатит, полиомиелит, менингит, сибирская язва и др.), а так­же яйца гельминтов. Чаще всего ими бывают богаты канализационные сточные воды, а кишечная палочка, живущая в кишечнике человека, является индикатором загрязнения воды канализационными стоками, так как она наименее чувствительна к обеззараживающим агентам по сравне­нию с возбудителями инфекционных заболеваний.

На завершающем этапе очистки питьевой воды, в целях обес­печения эпидемической безопасности, ее подвергают обеззараживанию. Наиболее стойкими к обеззараживающим факторам, по сравне­нию с бактериями и вирусами, являются не так давно открытые гигие­нистами простейшие Гьярдия и Криптоспоридия, а также инфици­рующие цисты. Следует отметить малую эффективность применяемых методов обеззараживания против энтеровирусов.

Обеззараживание воды осуществляют с помощью химических реагентов, чаще всего окислителей (галогены и их соединения, озон, пероксид водорода, перманганат калия, ионы серебра, меди и др.), с помощью физических факторов, а также с помощью получивших ши­рокое развитие в последнее время мембранных методов очистки воды.

Несмотря на разнообразие обеззараживающих средств, во всем мире в 99 случаях из 100 для дезинфекции воды используют хлор или хлорсодержащие продукты. Никакой другой метод не оказывает тако­го длительного бактерицидного действия (см. лаб. работу «Определение остаточного хлора»).

Кроме хлора и его соединений для обеззараживания могут быть использованы другие галогены - бром, йод и их соединения. Бром обеспечивает высокую степень дезинфекции, не дает неприятных за­пахов, эффективен против водорослей, не раздражает глаза, не образу­ет тригалометанов, удачно подходит для обеззараживания воды бас­сейнов. ПДК для образующегося в процессе дезинфекции бромид-иона 0, 2 мг/л, его токсическая доза для человека - около 3 г, леталь­ная — более 35 г. В относительно высоких концентрациях бромид-ионы угнетают деятельность щитовидной железы.

Йод аналогичен по дезинфицирующему действию брому. В воде он гидролизуется гораздо меньше, чем хлор: I₂ + Н₂О = HIО + HI. Не­обходимая для обеззараживания доза йода при рН< 7 составляет 0, 3-1 мг/л, а неприятный запах йода в воде обнаруживается при его концентрации лишь более 1, 5 мг/л. Наличие в воде органических ве­ществ, аммиака или аммонийных солей мало снижает бактерицидные свойства йода, так как последний не образует йодаминов и очень мед­ленно реагирует с органическими веществами природных вод. Йод является жизненно важным элементом и обладает высокой биологиче­ской активностью. ПДКрх для йодид-иона составляет 0, 4 мг/л; порог токсичности йода равен 5 мг/сутки. Дезинфекция йодом, однако, об­ходится в 15-20 раз дороже, чем дезинфекция хлором.

Мнение об озонировании, как о более безвредном способе обез­зараживания воды, которым механически можно заменить хлорирова­ние, поверхностно и ошибочно. Продукты реакций озона с органиче­скими веществами представляют собой альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и-другие небезобидные соединения, обусловливающие вторичное загрязнение воды. Фенолы под действием озона расщепля­ются с образованием альдегидов, глиоксаля, щавелевой и дикарбоновых кислот. Выделяющиеся при озонировании органические соедине­ния являются питательной средой для микроорганизмов, которые, по­падая в системы распределения воды, при этом бурно размножаются. Озонирование также требует дополнительной очистки от образую­щихся побочных продуктов и не обеспечивает защиту от повторного загрязнения.

Из препаратов индивидуального обеззараживания воды наиболее распространены органические хлорамины и йодорганические соединения. К хлораминам относится пантппид, одна таблетка которого содержит 3 мг активного хлора и при растворении обеззараживает около 750 мл прозрачной воды в течение- 30 минут. Значительно эф­фективнее пантоцида йодорганические соединения в смеси с виннокаменной кислотой. Для обеззараживания небольших количеств воды могут быть использованы также пероксид водорода Н₂О₂ или перманганат калия КМnO₄. Дезинфицирующее действие перманганата калия значительно слабее, чем хлора из-за его активного взаимодействия с органическими и неорганическими веществами.

Обеззараживание под действием физических факторов (кипяче­ние, облучение ультрафиолетом, обработка ультразвуком) исключает введение химических веществ в очищаемую воду и характеризуется во всех случаях отсутствием пролонгированного обеззараживающего эффекта. Достаточно широко используемое УФ-облучение эффектив­но только при обеззараживании прозрачной воды, не содержащей взвесей.

Кипячение воды связано с большими энергозатратами, обуслов­ленными фазовым переходом жидкость - пар. Кипячение жесткой во­ды с последующим ее охлаждением и отстаиванием, помимо обезза­раживающего эффекта, приводит к образованию осадка карбонатов кальция и магния в соответствии с уравнениями реакций:

Са(НСО₃)₂=СаСО₃↓ +СО₂↑ + Н₂О

Mg(НСО₃)₂=MgСО₃↓ +СО₂↑ + Н₂О

Образующиеся осадки имеют высокоразвитую поверхность; они адсорбируют и увлекают с собой ионы тяжелых металлов (Fе, Ni, Рb и др.) и многие другие микропримеси, обеспечивая эффективную очист­ку воды и ее умягчение (на 25-35 % и более) без применения, каких-либо дорогостоящих материалов и приспособлений. Явным показате­лем очистки воды от ионов железа является рыжеватый цвет отстояв­шегося осадка или отложившейся накипи.

При относительно небольших расходах воды в последнее время для ее очистки широко используют фильтрование через мембраны с различными размерами пор.

Микрофильтрацня обеспечивает удаление из воды только взве­шенных веществ, ультрафильтрация - коллоидных частиц и макромо­лекул (белки, полисахариды и др.), обратный осмос - удаление до 99 % солей и молекул органических веществ. Учитывая относительно большие размеры бактерий (300-10 000 нм), а также то, что вирусы (30-300 нм) чаще всего находятся в адсорбированном состоянии на поверхности бактерий или взвешенных частиц, мембранные техноло­гии обеспечивают стерилизацию воды одновременно с ее очисткой. Обеззараживающий эффект возрастает с уменьшением пор в исполь­зуемых мембранах в ряду микро-, ультра- и гиперфильтрации.

Для осуществления фильтрационных процессов широко исполь­зуются полимерные, а также более долговечные керамические мем­браны. Необходимое для фильтрования давление колеблется в преде­лах от 10—60 (обратный осмос) до 2 и менее атмосфер (микрофильтра­ция). При использовании мембранных технологий исключаются мно­гие технологические недостатки, как хлорирования, так и других мето­дов обеззараживания.

Обезжелезивание воды (см.лаб. работу «Определение железа»).

Удаление марганца. Марганец в природных водах может находиться в виде различ­ных соединений. В подземных водах он преимущественно находится в виде бикарбоната Мn(НСО₃)₂, хорошо растворимого в воде. Концен­трация ионов Мn²⁺ в подземных водах обычно колеблется в пределах от 0, 5 до 2-3 мг/л. В поверхностных водах, содержащих гумусовые соединения, марганец может образовывать комплексные органические соединения, в том числе и в коллоидной форме. Содержание марганца в поверхностных водоемах обычно незначительно, однако вследствие загрязнения промстоками может достигать 3-4 мг/л. ПДК марганца для питьевой воды и воды рыбохозяйственных водоемов составляет 0, 1 и 0, 01 мг/л соответственно.

Двухвалентный марганец медленно окисляется кислородом, раство­ренным в воде, до 3- или 4-валентного состояния. 3- и 4-валентный марга­нец гидролизуется с образованием осадков, соответственно Мn(ОН)₅ и Мn(ОН)₄ (точнее МnО_2*хН₂О), растворимость которых в воде при рН> 7 не превышает 0, 01 мг/л.

Скорость окисления Мn²⁺ растворенным кислородом в очень сильной степени зависит от значения рН воды. При рН< 8 без катали­заторов окисление Мn²⁺ практически не происходит, а достаточно бы­строе окисление наблюдается лишь при значениях рН> 9, 5. Процесс окисления 2-валентного марганца резко ускоряется при контакте аэри­рованной воды с дробленным пиролюзитом, марганцевым катионитом или осадком Мn(ОН)₂, предварительно окисленным аэрацией.

При фильтровании аэрированной и предварительно подщело­ченной воды, содержащей ионы Мn²⁺, через насыпной песчаный фильтр, поверхность песчинок которого покрыта отрицательно заря­женным осадком Мn(ОН)₄, последний адсорбирует ионы Мn²⁺. Эти ионы гидролизуются и реагируют с ранее выпавшим осадком, образуя Мn₂O₃:

Мn(ОН)₄+ Мn(ОН)₂ Мn₂O₃+ 3Н₂О

Последний легко окисляется растворенным в воде кислородом с образованием Мn(ОН)₄, который снова участвует в процессе окисле­ния, являясь катализатором:

2 Мn₂O₃ + 8 Н₂О + О₂ 4Мn(ОН)₄

Одновременная очистка воды от ионов марганца и железа может быть осуществлена ее обработкой перманганатом калия, в резуль­тате которой образуются осадки, соответственно МnО_2*хН₂О и Fе(ОН)₃:

3Мn²⁺ + 2МnO₄^- + 2Н₂О 5МnO₂ ↓ + 4H⁺

3Fе²⁺ + МnO₄^- + 7 Н₂О 3 Fе(ОН)₃ ↓ + МnO₂ ↓ + 5H⁺

Марганец относится к важнейшим биогенным микроэлементам, входя в состав множества ферментов и участвуя в выполнении разнооб­разных функций в организме (синтез и обмен нейромедиаторов, обеспе­чение стабильности клеточных мембран, функционирование мышечной ткани, обмен гормонов щитовидной железы и др.). Среднесуточная по­требность человека в марганце составляет 2—5 мг. Оптимальная интен­сивность поступления марганца в организм - 3-5 мг/день; уровень, при­водящий к дефициту, и порог токсичности оценивается в 1 и 40 мг/день соответственно. Период полувыведсния марганца из организма составля­ет 4-40 суток.

Обесфторивание и фторирование воды. Избыток фтора в питьевой воде (ПДК=1, 5 мг/л) при длительном ее употреблении вызывает флюороз зубов. В районах недостаточного поступления йода в ор­ганизм человека избыток фтора в питьевой воде может вызывать забо­левание щитовидной железы в результате вытеснения фтором йода в ее тканях. При многолетнем использовании воды с содержанием фто­ра более 5 мг/л, особенно в условиях жаркого климата, может про­изойти обызвествление сухожилий и связок (флюороз скелета). Опти­мальной концентрацией ионов фтора в питьевой воде считается 1 мг/л.

Содержание фтора в природных водах чаще всего колеблется в пределах 0, 3-0, 4 мг/л, но может достигать и 12 мг/л.

Удаление ионов фтора за счет образования осадков малораство­римых фторидов является безуспешным в связи с относительно высо­кой растворимостью последних.

Методы обесфторивания воды основаны на использовании селективных по отношению к фтор-ионам анионитов (активированная окись алюминия, гидроксилапатит) или сорбентов (свежевыделенные осадки гидроксидов магния, алюминия или фосфата кальция). Наи­лучшие результаты обесфторивания имеют место при использовании активированной окиси алюминия.

В процессе обесфторивания воды на активированной сернокис­лым алюминием окиси алюминия происходит ионный обмен в строго эквивалентных соотношениях по следующим схемам:

[Аn]₂SO₄ + 2F^- = 2[Аn]F + SO₄^2-

[Аn]₂SO₄ + 2НСО₃^- = 2[Аn]НСО₃^-+ SO₄^2-

Благодаря селективным свойствам активированной окиси алю­миния поглощение фтор-ионов происходит гораздо интенсивнее, чем бикарбонат-ионов, несмотря на то что концентрация последних значи­тельно выше.

Фтор жизненно необходим для нормального роста и развития организма. При недостатке фтора в рационе людей наблюдается рас­пространение кариеса, приводящего к потере зубов. Содержание фто­ра в теле взрослого человека составляет около 2, 6 г, причем 99 % его количества приходится на кости и зубную эмаль. Среднесуточное по­ступление фтора с пищей составляет 0, 5—1, 5 мг. Токсическая доза фтор-ионов для человека составляет 20 мг, летальная - около 2 г. Пе­риод полувыведения фтора из организма составляет 808 суток.

Удаление сероводорода. Сероводород содержится в некоторых подземных водах, придавая им неприятный запах при концентрации Н₂S более 0, 5 мг/л. В зависимо­сти от величины рН сероводород в водных растворах находится в виде молекулярного Н₂S или ионов НS^- при значениях рН более 10 в воде по­являются ионы S^2-. Предельно допустимые концентрации Н₂S и НS^- для питьевой воды соответственно равны 0, 003 и 3, 0 мг/л.

Вода, содержащая Н₂S, обладает повышенной коррозионной актив­ностью по отношению к металлическим трубам и бетону. Сероводород образует с кальцием, содержащимся в бетоне, растворимый Са(НS)₂, который вымывается водой. При взаимодействии продуктов окисления серово­дорода с кальцием образуется сульфоалюминат кальция, удельный объем которого многократно превышает удельный объем бетона, что также при­водит к его разрушению.

Для очистки воды от сероводорода могут быть использованы че­тыре варианта осуществления технологических процессов:

1) физический метод - аэрация;

2) химические методы, основанные на окислении Н₂S, осаждении сульфида железа или использовании окислительно-восстановительных анионитов;

3) физико-химические методы, основанные на подкислении во­ды и последующей аэрации;

4) биохимический метод с использованием бактерий, окисляю­щих сероводород в процессе своей жизнедеятельности.

Применение аэрации для очистки эффективно при значениях рН менее 5, когда сероводород находится в молекулярной форме, так как ионы НS^-непосредственно аэрацией не удаляются. В связи с переходом молекул Н₂S из жидкой фазы в газообразную при аэрационной очистке воды происходит загрязнение сероводородом атмосферного воздуха.

Наряду с десорбцией при аэрации также происходит окисление части Н₂S до серы: 2 Н₂S + О₂ 2S↓ + 2Н₂О

Процесс окисления может в небольшой степени идти и дальше до образования тиосульфатов S₂O₃^2-; дальнейшее окисление S₂O₃^2- до сульфитов и сульфатов аэрацией при отсутствии серных бактерий обычно не идет. Способность к окислению различных форм сероводо­рода уменьшается с ростом значения рН, и окисление до сульфатов идет только в кислой среде.

Аэрацию воды целесообразно применять при содержании Н₂S до 2-3 мг/л и значениях рН < 6, 5-7, тогда его концентрация снижается до 0, 3-0, 5 мг/л. Окончательную очистку воды можно произвести путем окисления Н₂S, например, хлором, озоном, пероксидом водорода, перманганатом калия. Окислители обычно используются для очистки во­ды, содержащей небольшие концентрации сероводорода.

При высоких концентрациях Н₂S (более 200 мг/л) для очистки может быть использована суспензия Fе(ОН)₃, при добавлении которой в воде выпадает осадок FеS:

3Н₂S + 2Fе(ОН)₃ 2FеS ↓ + S↓ + 6Н₂О

3НS^- + 2Fе(ОН)₃ + 3Н⁺ 2FеS↓ + S↓ + 6Н₂О

После осветления воды, например в отстойниках, осадок FеS может быть регенерирован продувкой воздухом и вновь использован:

4FеS + 3О₂ + 6Н₂O 4Fе(ОН)₃ ↓ + 4S ↓ (Мешалкин, 2007)