Показники якості природних вод

Класифікація природних вод, як і будь-яка інша класифікація, призначена систематизувати знання. Цінність класифікації збільшується, якщо виділені класи (типи) мають кількісну визначенність. Деякі із приведених нижче класифікацій строго відносяться до певного виду водокористування, інші мають у своїй основі ту або іншу характеристику процеса формування природних вод,

Природні джерела водопостачання розділяють на поверхневі (ріки, моря, водосховища й озера) і підземні (грунтові, артезианскі, шахтні і інші води).

Для водопостачання населених пунктів і більшості промисловий підприємств найбільш придатними є підземні (особливо артезианскі і джерельні) слабкомінералізовані води. Для господарсько-питного водопостачання також використовують ресурси підземних вод, що відповідають санітарно-гігієнічним вимогам.

До фізичних показників якості води належать

Ø температура,

Ø прозорість або каламутність,

Ø колірність,

Ø запах і смак.

Температура води. Залежить в першу чергу від походження вод. Води підземних джерел, на відміну від поверхневих, відрізняються сталістю температури. Оптимальною температурою води, яка використовується для пиття, вважається 7 – 11 º С.

Прозорість і каламутність води. Природні води, особливо поверхневі, рідко бувають прозорими через наявність у них завислих веществ, глини, піску, мулу, органічних решток. В природних водах прозорість визначається за білим диском, що опускається у воду, а в лабораторних умовах – за допомогою читання спеціального шрифта через стовп води, налитої в скляний циліндричний сосуд (шрифт Снеллена).

Прозорість тісно пов'язана із каламуністю, тобто з наявністю завислих мінеральних частинок.

При господарсько-питному водопостачанні іноді використовується таке ділення каламутності:

Ø мала— менш 50 мг/дм³,

Ø середня — 50—250 мг/дм³,

Ø підвищена — 250—1000 мг/дм³,

Ø висока — більш 1000 мг/дм³.

Усувається каламутність шляхом відстоювання і фільтрування води.

Колірність води. Колірність води встановлюється порінянням із платиново-кобальтовою шкалою; визначається вмістом у воді органічних і неорганічних речовин.Чиста вода, узята в малому об’ємі є прозорою; у товстому шарі має блакитнуватий відтінок. Інші відтінки свідчать про наявність у воді різних розчинених і завислих домішок. Колірність води зумовлено наявністю в ній гумусових веществ, розвитком водоростей („цвітіння” водойм), колоїдними сполуками заліза, а також забарвленими стічними водами. Так, солі заліза офарблюють воду в чепвоний (іржавий) колір, дрібні часточки піску і глини — у жовтий. Гумусові речовини (продукти розпаду трави, листя, кори і ін.) надають воді кольору від жевтоватого до коричньового.

За ступенем офарбованості розрізняють наступні градуси колірності води:

Майже позбавлені офарбованості............ < 20°

Слабкоофарбовані.................................... 20—30°

Середньо офарбовані.................................. 40—50°

Інтенсивно офарбовані............................. 60—80°

Темно-офарбовані........................................ 100—200°

Виключно темно-офаррбовані > 200°

Оскільки причини, які зумовлюють колірність води, є різноманітними, ефективність усунення колірності значною мірою залежить від встановлення її природи.

Смак і запах води. Чиста вода не має будь-якого смаку або присмаку. Надає їй смаку і присмаку забруднення. Природна вода може мати смак і запах. Схематично виділяють чотири смаки води: солоний, гіркий, солодкий і кислий. Всі інші смакові відчуття кваліфікуються як присмаки (рибний, фенольний, нафтовий, хлорний і т. д.):

Ø солоний смак воді надають хлориди натрію (NaCl),

Ø гіркуватий — хлориди магнію (MgCl2),

Ø кислий — надлишок кислот,

Ø солодкуватий — органічні речовини.

Відчутний смак або присмак вода набуває лише за досягнення певної концентрації домішки — наприклад, солей NaCl, MgC1₂, Na₂SO₄ і NaHCO₃ при концентрації 400— 500 мг/дм³, солей CaSO₄ і NaNO₃ при концентрації 100— 200 мг/дм³, сполук заліза — 1—5 мг/дм³. Інтенсивність присмаку також, як і запаху, визначається за шестибальною шкалою (табл. 4.1, 4.2).

Запах води, також як і смак, визначається складом і концентрацією домішок і газів. Запахи бувають двох видів:

1) природного походження;

2) штучного походження.

Причинами запахів природного походження є хімічний склад домішок води, живі та відмерлі організми, гнилі рослинні рештки, специфічні органічні сполуки. Серед запахів цієї групи виділяють: рибний, трав’янистий, ароматичний, болотний, гнильний, деревний, землистий, непевний. До цієї самої групи належить і сірководневий запах, який викликано наявністю у воді розчиненого сірководню.

Таблиця 4.1. - Шкала інтенсивності запаху і присмаку питної води

Природні запахи описують певною термінологією (Табл.. 4.2).

Запахи штучного походження, зумовлені домішками деяких промислових стічних вод, називають за продукуючи ми веществами: фенольний, хлорфенольний, нафтовий, смолистий.

Таблиця 4.2. - Шкала оцінки запахів

До хімічних показників якості води належать

Ø активна реакція (рН)

Ø окислюваність,

Ø наявність азотних сполук,

Ø розчинені гази,

Ø сухий залишок,

Ø мінералізація,

Ø жорсткість,

Ø лужність,

Ø вміст хлоридів, сульфатів, заліза, марганцю та інших компонентів (специфічні забруднювальні речовини, радіоактивні елементи, важкі метали).

Активна реакція води визначає ступінь кислотності чи лужності води, що у практиці водопідготовки має велике значення; рН дозволяє правильно визначити форму знаходження в природних водах вуглекислих і кремнекислих сполук, відіграє значну роль при обробці води. Для більшості природних вод рН коливається в межах 6, 5-8, 5 (табл.. 4.3)

Таблиця 4.3. – Класифікація вод за величиною рН

Більшість поверхневих вод суші мають нейтральну або слабкокислу реакцію (рН = 6, 0-8, 0). Чітко вираженої кисло реакцією характеризуються болотні води. У дистрофних озерах, бідних поживними солями, рН — 4-6. Напроти, в евтрофних озерах, багатих солями і органікою, рН = 7-10.

Окислюваність води. Серед компонентів природних вод важливу роль відіграють органічні веществи. Через велику кількість визначити їх індивідуально досить важко. Тому, як правило, виконують сумарну оцінку їх вмісту шляхом визначення окислюваності. Величина окислюваності виражається витратою окисника чи еквівалентної кількості кисню на окислення органічних речовин в 1 л води. Найменшою окислюваністю (до 2 мг О/л) характеризуються артезіанські води. Окислюваність річкової води й води водосховищ коливається в межах 2-8 мгО/л. Підвищена окислюваність води може свідчити про забруднення джерела промисловими стічними водами. Що вимагає проведення заходів санітарної охорони.

Азотні сполуки. Азотні сполуки (іони амонію, нітрити і нітратні іони) утворюються у води головним чином у результаті розкладання сечовини і білкових сполук, які потрапляють в неї із стічними господарсько-побутовими водами, а також водами содових, коксохімічних, азотно-тукових та інших заводів.

Присутність у поверхневи водах і онів амонію пов'язано як з природними процесами, так і з антропогенним впливом. До природних процесів належать біохімічна деградація білкових речовин, характерна для періоду відмирання фітопланктона. Значна кількість амонію може надходити з поверхневим стоком і атмосферними опадами. Високі концентрації амонію характерні для побутових стічних вод і промстоків підприємств харчової, лісохімічної промисловості. Білкові веществи під дією мікроорганізмів розкладаються, кінцевим продуктом при цьому є аміак. Тому його наявність викликає підозру, щодо забруднення водного об’єкта стічними водами.

За наявністю і кількістю тих чи інших сполук, які містять азот, можна судити про час забруднення води. Підвищений вміст амонійного і нітратного азоту вказує на свіже забруднення води азотними сполуками, відсутність амонійного і нітритного азоту, але наявність нітратного - про давність забруднення.

Небезпека вживання води з підвищеним вмістом нітратів у тому, що нітрати, попадаючи з водою в організм людини, відновлюються мікрофлорою травного тракту і тканинними ферментами до нітритів, токсичність яких значно вища ніж у нітратів, або реагують з амінокислотами, утворюючи канцерогенні сполуки нітрозоаміни.

Вживання води з підвищеним вмістом нітратів може викликати метгемоглобін-анемію, яка проявляється у зменшенні кількості червоних кров’яних тілець[3]. Нормальний гемоглобін містить двухвалентне залізо, яке під впливом нітратів окислюється до заліза трьохвалентного. Це блокує здатність гемоглобину зв'язувати кисень з двохвалентним залізом і транспортувати його з потоком крові.

Важливе значення для якості води має вміст іонів амонію (NH⁺₄). Іон амонію з'являється у воді внаслідок розводження в ній аміаку - продукту розкладання органічних азотовміщуючих речовин.

Сухий залишок. Кількість солей, які містяться в природних водах, може бути охарактеризована величиною сухого залишку. Сухий залишок утворюється при випаровуванні певного объєму води і складається і з мінеральних солей і нелетких органічних сполук. Органічна частина сухого залишку води визначається величиною втрат при прокалюванні. За величиною сухого залишку природні води поділяються на сім групп (табл.4.4).

Мінералізація. Стосовно будь-якого виду водопостачання перше значення має питання про мінералізацію води і склад головних іонів. Термін «мінералізація» звичайно використовується для поверхневих прісних вод, а термін «соленість» — для солонуватих і солоних водойм.

Таблиця 4.4. - Х арактеристика природних вод за величиною сухого залишку

Відповідно до класифікації О.А.Алехіна поверхневі води суходолу за степенем мінералізації (мг/дм³) поділяються на групи:

Дуже мала < 100

Мала 100—200

Середня 200—500

Підвищена 500–1000

Висока > 1000

Більшість рік має малу і середню мінералізацію води.

До числа головних іонів, що містяться у природній воді належать:

Ø гідрокарбонати (НСО₃^-),

Ø сульфати (SO₄^2-),

Ø хлориди {С1^-),

Ø кальцій (Са²⁺), магній (Mg²⁺),

Ø натрій (Na⁺), калій (К⁺).

За їх складом, а точніше, за переважним аніоном, природні води розділяються на три класа

— гідрокарбонатний (до нього належить більша частина слабкомінералізованих вод суходолу),

— хлоридний (характерний для високомінералізованих вод внутрішніх морів, безстічних озер і рік полупустинної і пустинної зони),

— сульфатний (займає проміжне положенння).

Кожний клас по переважаючому катіону розділяється на три групи:

— кальцієвую,

— магнієвую,

— натрієвую.

Жорсткість води обумовлюється наявністю в ній іонів кальцію і магнію.

За загалною жорсткістю (ммоль/дм³), тобто сумарному вмісту катіонів кальцію і магнію (Ca²⁺ + Mg²⁺), незалежно від того, з якими аніонами вони зв'язані, природні води розрізняють таким чином:

Дуже м'які до 1, 5

М'які 1, 5 – 3, 0

Середні 3, 0 – 6, 0

Жорсткі 6, 0 – 10, 0

Дуже жорсткі більш 10, 0

Загальна жорсткість поділяється на

— карбонатну або тимчасову жорсткість, що обумовлена присутністю гідрокарбонатів кальція і магнія,

— некарбонатну або постійну жорсткість, що обумовлена присутністю солей сильних кислот (сульфатів або хлоридів) кальція і магнія.

Присутність у воді великої кількості солей, які обумовлюють жорсткість, робить її недатною для господарсько-побутових потреб і багатьох технологічних процесів. При використанні жорсткої води погано розвиваються овочі, псується вигляд, смак і якість чаю, перевитрачається мило під час прання. Окрім того, тканини стають менш еластичними, збільшується ламкість волокна. Використання жорсткої води для живлення парових котлів призводе до різкого погіршення їх роботи і до аварій. М'ягка вода потрібна для цілого ряду інших виробництв (при виготовленні штучного волокна, пластмасс, кіноплівки, папіру).

Лужність води. Під загальною лужністю води розуміють суму гідратів і солей слабких кислот (вугільної, фосфорної, кремнієвої, гумінової і т.п.). У відповідності з цим виділяють лужність бікарбонатну, карбонатну, гумінову, гідратну. Із іонів лужних металів у воді найбільш розповсюджені натрій і калій, що надходять до води в результаті розводження корінних порід. Основним джерелом натрію в природних водах є поклади поваренної солі.

Хлориди. Через велику розводжуваність хлоридних солей (NaСl - 360 г/л, MgСl – 545г/л) іони хлора присутні майже у всіх водах. Велика кількість хлоридів у воді може бути обумовлена вимиванням хлоридних сполук із найближчих шарів, а також зкидами у воду промислових та господарсько-побутових стічних вод. У проточних водоймах кількість хлоридів невелика – 20-30 мг/л. Хлориди, присутні у воді у великій кількості, при контакті з бетоном руйнують його в результаті вилужування із вапна розводжуваного хлорида кальція і гідроксида магнія. Підвищений вміст хлоридів у воді знижує її смакові влативості.

Сульфати часто зустрічаються в природних водах. Надходять вони у воду, головним чином, при розводженні осадкових порід, до складу яких входить гіпс, а також в результаті забруднення промисловими та господарсько-побутовими стічними водами. Води, що містять велику кількість сульфатів, руйнують бетонні конструкції. Це пояснюється утворенням гіпсу в результаті реакції між вапном цементу і сульфатами води, що приводе до збільшення об'єму і виникнення шпарин.

Залізо і марганець за своїм вмістом у воді не перевищують десятих долей міліграма на літр. Хоч навіть у більших кількостях вони не є шкідливими для здоров'я, але своєю присутністю роблять воду непридатною для пиття, промислових та господарських потреб, оскільки при концентраціях заліза вище 1 мг/л вода набуває неприємного чорнильного або залізистого присмаку. В результаті окиснення бікарбоната двухвалентного залізаза киснем повітря утворюється гідроксид заліза, що збільшує каламутність води й підвищує колірність. Наявність у воді заліза і марганцю сприяє розвитку у трубопроводах залізистих і марганцьових бактерій, продукти життєдіяльності яких можуть забивати водопровідні труби.

Розчинені гази. Із розчинених у воді газів найбільш важливими для оцінки її якості є вуглекислота, кисень, сірководень, азот і метан. Вуглекислота, кисень і сірководень при певних умовах надають воді корозийні властивості по відношенню до бетону і металлам.

Токсичні речовини надходять у воду в основному із промисловими стічними водами. До цієї групи можна віднести свинець, цинк, мідь, мишьяк, анілін, цианіди і багато інших. Незважаючи на незнану концентрацію їх у воді (мкг/л), вони можуть завдавати значної шкоди здоров'ю людини.

Радіоактивні елементи, що потрапляють у поверхневі і підземні води, можуть мати природне і штучне походження. Основними ізотопами, які визначають природну радіоактивність вод, є уран – 239, торій -232 і продукти їх розпаду. Штучну радіоактивність, зокрема, після аварії на ЧАЕС в 1986 р., обумовлюють такі ізотопи, як стронцій – 91, цезій-137. Допустимою межею радіоактивності води відкритих водойм за будь-яких суміжах радіоактивних речовин з неідентифікованим ізотопним складом вважаються 3·10^-11Кі/л.

Важкі метали. Важкі метали (As, Cd, Cr, Co, Pb, Mn, Hq, Ni, Se, Ag, Zn) належать до групи мікроелементів, враховуючи їх низькі концентрації в природних водах. В природних водах важкі метали зустрічаються у вигляді завислих речовин, колоїдів, у формі комплексів, утворених гуміновими і іншими органічними кислотами.

Важкі метали входять до складу ферментів, вітаминів, гормонів. Ці сполуки активно впливають на зміни інтенсивності процесів обміну речовин у живих організмах. Саме тому вміст важких металів у воді нормується, що збільшення їх концентрацій може викликати порушення біологічних процесів у живих організмах і привести до їх захворювання, часто хронічним, а то й до загибелі.

Свинець належить до малорозповсюджених елементів. Значне підвищення вмісту свинцю у довкіллі, в тому числі в поверхневих водах, обумовлено його широким застосуванням у промисовості. Найпотужнішим джерелом забруднення поверхневих вод сполуками свинцю є спалювання вугілля і використання тетраетилсвинцю в моторному паливі, а також стічні води.

Цинк. Основним джерелом надходження цинка в природні води є мінерал сфалерит (ZnS). Майже всі сполуки цинку добре розчиняються у воді. Внаслідок цього на відміну від міді та свинцю цинк розповсюджений у водах. В річкових водах його концентрація коливається від декількох мікрограмів до десятків іноді сотен мікрограмів на літр.

Характерна особливість міді, що знаходиться в природних водах – здатність сорбуватися високодисперсними частками грунтів і порід. Кількість міді у водах лімітується значеннями рН. Мідь стає нестійкою й випадає в осад вже при рН = 5, 3. Тому у водах, які мають нейтральну або близьку до нейтральної реакцію, вміст міді невеликий (1-100 мкг/л). Важливішими джерелами надходження міді вважаються горні породи, стічні води хімічних і металургійних виробництв, шахтні води, різні реагенти, що містять мідь, а також стічні води і поверхневий стік з сільгоспугіддь.

Нікель міститься в природних водах в мікрограмових дозах. Важливішим джерелом забруднення нікелем є стічні води цехів нікелювання, збагачувальних фабрик. Великі викиди нікеля відбуваються при спалюванні палива, таким чином щорічно в атмосферу надходить до70 тис.т нікеля. Переважна частина нікеля переноситься річковими водами у завислому стані.

Дякуючи меньшій міграційній здатності і низкому вмісту в горних породах кобальт в природних водах виявляється рідше, ніж нікель. Кобальт і його сполуки потрапляють в природні води при вилужуванні мідно-колчеданових руд, екзогенних мінералів і порід, із грунтів при разкладанні організмів і рослин й тому подібне. Особливо небезпечним джерелом надходження кобальта є стічні води металургійних, металообробних, нафтопереробних, хімічних виробництв.

Стронцій має низькі концентрації в природних водах, що пояснюється низькою разчинністю його сірчанокислих сполук, які вважаються основним джерелом надходження стронція. Джерелом стронція в природних водах є горні породи, найбільшу кількість його містять гіпсоносні відклади. Інше, не менш важливе джерело надходження стронція (радіоактивних ізотопів) у наш час антропогенний.

Синтетичні поверхнево-активні речовини (СПАР) – речовини, здатні адсорбуватись на поверхнях розділу фаз і знижувати, внаслідок цього, їх поверхневу енергію (поверхневе натягнення). У водні об'єкти СПАР потрапляють з побутовими та промисловими стічними водами. У поверхневих водах СПАР знаходяться у розчинному і сорбованому станах, а також в поверхневій плівці води. СПАР впливають на фізико-біологічний стан водойми, погіршуючи кисневий режим і органолептичні властивості – смак, запах, і т.ін. й знаходяться в ньому на протязі тривалого часу, оскільки розкладаються повільно.

Феноли в природних водах утворюються в процесах метаболіизму водних организмів, при біохімічному окисленні і трансформації органічних речовин. Вони є одним з найрозповсюдніших забруднювальних речовин, що надходять в природні води зі стічними водами нафтопереробних, лісохімічних, коксохімічних, лакофарбових, фармацевтичних і інших виробництв.

Нафтопродукти – суміші газоподібних, рідких і твердих вуглеводнів різних класів, що виробляються із нафти і нафтових супутніх газів. Нафтопродукти належать до самих розповсюджених і небезпечних вречовин, які забруднюють природні води.

Значна кількість нафтопродуктів потрапляє в природні води при перевезенні нафти водним шляхом, зі стічними водами промислових підприємств, особливо нафтовидобувної й нафтопереробної промисловості, з господарсько-побутовими стічними водами.

Пестициди - це хімічні препарати, синтезовані сполуки, що використовуються в сільському господарстві для захисту рослин від хвороб і шкідників з метою збереження врожаю сільскогосподарських культур. Для більшості із них не існує токсикологічного обгрунтування ГДК.

Значну небезпеку для поверхневих і грунтових вод складають пестициди, які вносяться у кількостях від 1 до 10 кг/га, добре розчиняються у воді (> 10-50 мг/л) і поволі розкладаються. До таких пестицидів належить група триазинових пестицидів (атразін, симазин, тербутилазин), феноксикарбонові кислоти і їх похідні (бентазон, бромазил, гексазинон).

Поліциклічні ароматичні вуглеводні (ПАВ) містять дві або декілька з'єднаних між собою ароматичних кільцевих системи.

ПАВ синтезуються під час процесів неповного згорання як супутні продукти і вважаються збудниками ракових захворювань. Природними джерелами ПАВ є лісові пожежі, вулканічна діяльність. Антропогенні джерела – моторна техніка (особливо з дизельними двигунами), коксові батареї, системи опалення мазутом, сигарети.

До біологічних показників якості води належать характеристики вмісту у воді

Ø разчинених органічнихречовин

Ø мікроорганізмів або бактерій.

Непрямимим показаниками концентрації органічних речовин у воді зазвичай служить:

— біохімічне споживання кисню (БСК);

— хімічне споживання кисню (ХСК).

БСК – це та кількість кисню, необхідна мікроорганізмам для засвоєння органічних речовин, що знаходяться у воді. Цей показник характеризує тільки легкоокисляєму частину органічних речовин, яка частково мінералізується мікроорганізмами, а частково засвоюється ними. Засвоєння органічних речовин відбувається певний час, тому виділяють біохімічне споживання кисню за 5 і 20 діб (БСК₅ і БСК₂₀). БСК₂₀ утотожнюється з повним БСК (БСК₂₀ ~ БСК_повн).

ХСК – це кількість кисню, необхідне для повного окиснення всіх органічних ечовин, присутніх у воді (за умов утворення СО₂, Н₂О, SО₂).

По вмісту органічних речовин (мгО/дм³), що характеризується БСК, природні води класифікуються таким чином:

Дуже мале < 2

Мале 2-5

Середнє 5-10

Підвищене 10-20

Високе 20-30

Дуже високе > 30

Відомо декілька тисяч видів бактерій: всі вони поділяються на два великих класа — сапрофітні (нешкідливі для людини, іноді навіть корисні) і патогені (хвороботворні). Виділити патогенні бактерії із всієї маси мікроорганізмів досить складно, тому при оцінці якості води обмежуються

— мікробним числом (загальна чисельність бактерій в 1 см³ води)

— колі-індексом (кількістю кишкових паличок в 1 дм³ води)

— колі-титр (об'єм води в 1 см³, що приходиться на одну кишкову паличку).

Залежність між ними: колі-індекс = 1000/колі-титр.

Санітарний стан природних вод господарсько-питного водопостачання за мікробни числом наданий в таблиці 4.5.

Лабораторно-виробничий контроль якості води в місцях водозабору проводять в межах вимог стандарту 2874-82 „Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством». Перелік вимог може додатково погоджуватись з органами санітарно-епідеміологічної служби з урахуванням місцевих природних і санітарних умов.

Таблиця 4.5.- Санітарний стан природних вод господарсько-питного водопостачання за мікробни числом

На водопроводах і підземним джерелом водопостачання аналіз води на протязі першого року експлуатації проводять не рідше чотирьох разів (по сезонах року), в подальшому не рідше одного разу на рік у найбільш несприятливий період по результатам спостережень першого року.

На водопроводах з поверхневим джерелом водопостачання аналіз води в месцях водозабору проводять не рідше одного разу на місяць.