Природные воды и их основной состав. Часть II

Природные воды представляют собой сложную многокомпонентную систему, в чей химический состав входит комплекс минеральных и органических веществ в разных формах ион-молекулярного и коллоидного состояния.

Эти вещества, по отношению к воде являющиеся примесями, определяют её свойства, т.е. качество. Для питьевой воды предъявляются особые требования по органолептическим, химическим и бактериологическим показателям.

Качественный состав природных вод.

    По О.А. Алекину химический состав подразделяется на пять групп:
    • Главные ионы. Содержатся в наибольшем количестве (натрий Na+, калий К+, кальций Ca2+, магний Mg2+, сульфаты SO42-, карбонаты CO32-, гидрокарбонаты HCO3-, хлориды Cl-);
    • Растворенные газы (азот N2, кислород O2, оксид углерода CO2, сероводород H2S и прочие);
    • Биогенные элементы (соединения фосфора, азота, кремния);
    • Микроэлементы – соединения всех остальных химических элементов;
    • Органические вещества.

Л.А. Кульский предложил классифицировать примеси, основываясь на их фазовом состоянии и дисперсности:

  • Примеси первой группы. Проникают в воду вследствие эрозии слагающих ложе водоема пород и смыва с поверхности почв. Они представляют собой нерастворимые в воде суспензии и эмульсии ( а также планктон и бактерии), кинетически неустойчивые и находящиеся во взвешенном состоянии, благодаря гидродинамическому воздействию водного потока. В состоянии покоя эти примеси выпадают в осадок.
  • Примеси второй группы. Представляют собой гидрофобные и гидрофильные органические и минеральные коллоидные частицы, вымытые водой из грунтов и почв, а также нерастворимые и недиссоциированные формы гумусовых веществ, детергенты и вирусы, которые по своим размерам близки к коллоидным примесям.
  • Примеси третье группы. Молекулярно-растворенные вещества (органические соединения, растворимые газы и т.п.).
  • Примеси четвертой группы. Вещества, диссоциированные на ионы. В результате процесса гидратации кристаллическая структура этих веществ разрушается.

 

Главнейшие ионы.

Присутствующие в природных водах и оказывающие существенное влияние на качество воды:
Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+, Fe2+, H+, Cl-, HCO3-, SO42-, OH-, CO32-, F-, NO32-, Br-, BO22-, HS-, HSO4-, HSiO3-.

В большем же количестве в природных водах присутствует семь основных ионов.
Это: HCO3- (CO32-), SO42-, Cl- – анионы;
Ca2+, Mg2+, Na+ и K+ – катионы.

В зависимости от преобладающего аниона О.А. Алекин предложил классифицировать природные воды на три больших класса:

  1. Гидрокарбонатные (и карбонатные) HCO3- (CO32-)
  2. Сульфатные (SO42-)
  3. Хлоридные (Cl-)

Каждый класс по преобладающему катиону разделяют на три группы:

  1. Кальциевую (Ca2+)
  2. Магниевую (Mg2+)
  3. Натриевую (Na+ и K+)

В свою очередь в группах различают три типа вод:

  1. HCO3- > Ca2+ + Mg2+
  2. HCO3- < Ca2+ + Mg2+ < HCO3- + SO42-
  3. HCO3- + SO42- < Ca2+ + Mg2+

Ионы Na+ и K+. В природные воды попадают в результате растворения коренных пород, к примеру, залежей NaCl.

Превышение ионов Na+ над ионами K+ объясняется высоким поглощением калия почвами и извлечением его растениями из воды.

Ионы Ca2+ и Mg2+.Встречаются во всех минерализованных водах. Источником попадания являются залежи известняков, гипса, доломитов. В маломинерализованных водах преобладает Ca2+ . С ростом степени минерализации количество ионов Ca2+ падает и не превышает 1г/л, а содержание ионов Mg2+ растёт и может достигать нескольких десятков граммов.

Ионы Ca2+ и Mg2+ по большей степени обуславливают жесткость воды, которая не должна превышать 7 мг-экв./л.

Ионы Mn2+, Fe2+, Fe3+. В природных водах в основном встречаются в виде коллоидов и суспензий, в много меньшей степени в истинно растворенном состоянии. В подземных водах соединения железа и марганца преобладают в виде гидрокарбонатов, сульфатов и хлоридов. В поверхностных – в виде органических комплексных соединений или в виде высокодисперсной взвеси.

В поверхностных водах средней полосы России содержится от 0,1 до 1мг/л железа и от 0 до 0,05 мг/л марганца, в подземных же водах содержание железа часто превышает 15 – 20 мг/л, концентрация марганца колеблется в пределах 0,5 – 3 мг/л.

Железо и марганец придают воде неприятную красновато-коричневую или черную окраску, ухудшают её вкус, вызывают развитие железобактерий, отложение осадка и засорение трубопроводов. Избыток железа негативно влияет на здоровье человека, вызывает заболевание печени, ухудшает репродуктивную функцию организма. Марганецсодержащие воды характеризуются особой окраской, вяжущим привкусом, оказывают элебриотоксическое и гонадотоксическое воздействие на человека. ПДК железа 0,3 мг/л, марганца - 0,1 мг/л.

Для удаления из воды желаза и марганца существуют различные системы очистки - для промышленных и бытовых нужд.

 

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

Бром. При концентрации в питьевой воде выше 0,2 мг/л снижает скорость импульса по нервным волокнам, что отрицательно сказывается на функции печени и почек, обуславливает снижения калия в крови и увеличивает содержание азота в мочевине.

Соединения азота. В природных водах встречаются в виде ионов NO2-, NO3-, NH4+. Появляются вследствие разложения различных сложных органических веществ животного и органического происхождения и разложения белковых веществ, попадающих в поверхностные источники с бытовыми сточными водами.

Нитраты и нитриты. Нитраты содержатся в основном в поверхностных водах (0,001 – 0,003 мг/л), нитриты (десятые доли миллиграммов в литре) – в артезианских. При употреблении воды с содержанием нитратов свыше 45 мг/л в организме человека синтезируются нитрозамины, способствующие образованию злокачественных опухолей, перерастающих в рак желудка, у детей возникает нарушение окислительной функции крови. ПДК нитрит-иона не должна превышать 3 мг/л.

Очистку воды от нитратов осуществляют на колонных анионитовых фильтрах с использованием в качестве фильтрующей среды высокоосновную анионообменную смолу А520Е

Аммиак (азот аммонийный). Присутствие в воде аммиака растительного или минерального происхождения в санитарном отношении безопасно. При образовании же аммиака вследствие разложения белка говорит о том, что такая вода непригодна для потребления в пищу. Концентрация аммонийного азота в зависимости от степени загрязнения колеблется от 0 до 1 мг/л. ПДК аммиака по азоту - 2 мг/л.

Кремний. В природных водах присутствует в виде ионов, молекул и коллоидных частичек. Форма кремниевой кислоты в сильной степени зависит от ее ионного состава и значения pH.

Содержание кремния в природных водах колеблется от 0,6 – 40 мг/л и лишь в исключительных случаях может превышать 65 мг/л. Кремниевая кислота не представляет опасности для здоровья, но повышенное ее содержание делает воду непригодной для подпитки паровых котлов вследствие образования силикатной накипи. По санитарным правила концентрация кремния не должна превышать 10 мг/л.

Для исключения образования силикатной накипи на поверхностях трубопроводов и аппаратов в промышленных установках обессоливания воды в качестве фильтрующей загрузки рекомендуется применять сильноосновный анионит Purolite A400

Ионы SO42- и Cl-. Данные ионы попадают в природные воды из-за вымывания солесодержащих пород или сбросов промышленных и бытовых сточных вод. Концентрация, как правило, колеблется от долей миллиграмма до нескольких десятков граммов на литр. При превышении 350 мг/л хлоридов или 500 мг/л сульфатов придает воде солоноватый вкус, и приводит к нарушению пищеварительной системы человека.

Повышенное содержание хлоридов и сульфатов обуславливает коррозийную активность воды, некарбонатную жесткость, разрушающе воздействует на железобетонные конструкции.

Гидрокарбонаты. Распространены в природных водах с концентрацией ионов HCO3- не более 250 мг/л.

Соединения фосфора. Встречаются в виде ионов ортофосфорной кислоты, сложных органических комплексов, суспендированных частиц минерального и органического происхождения. В природных водах концентрация соединений фосфора довольно мала, но их присутствие в сильной степени оказывает влияние на водную растительность. Для питьевой воды концентрация фосфора элементарного должна составлять не более 0,0001 мг/л.

Фтор. В артезианских скважинах содержание фтора не превышает 12 мг/л, в природных водах, как правило, не более 0,5 мг/л фтор-иона. Фтор является биологически активным микроэлементом, концентрация которого в питьевой воде не должно превышать 0,7 – 1,5 мг/л во избежание развития кариеса или флюороза зубов.

Йод. Содержание данного элемента довольно мало, но вследствие его высокой биологической ценности должно быть не менее 10-8 мг/л в питьевой воде.

Стронций. При концентрации свыше 7 мг/л вызывает ломкость костей, рахит.

Кадмий. При концентрации свыше 0,001 мг/л вызывает болезнь «Итай-итай».

Ртуть. При концентрации свыше 0,0005 мг/л вызывает болезнь Минамата.

Цинк. При концентрации свыше 5 мг/л угнетает окислительные процессы в организме, вызывает анемию.

Молибден. При содержании свыше 0,25 мг/л вызывает подагру и молибденувую болезнь.

Медь. При содержании свыше 1 мг/л вызывает заболевание печени, анемию, гепатит.

As, Be, Cu, Mo, Pb, Se, Sr, Zn и др. Эти элементы относятся к ядовитым и в природных водах встречаются крайне редко. Как правило, их попадание в водоемы и реки вызвано промышленной деятельностью человека и ведет к серьезным негативным последствиям для живых организмов, как населяющих эти воды, так и питающихся из них.

 

Газы.

Кислород, оксид углерода, сероводород. Удаление этих газов происходит в основном при использовании воды в котлах, т.к. они обуславливают коррозийные свойства воды.

Кислород попадает в воду при контакте с воздухом. В поверхностных водах концентрация кислорода меньше теоретического за счет потребления его различными организмами, процессов брожения и гниения органических остатков. Низкое же содержание кислорода в поверхностных водах указывает на их повышенную загрязненность. В артезианских водах он отсутствует.

Азот. Попадает в воду из воздуха, при разложении органических остатков, а также при восстановлении соединений азота денитрифицирующими бактериями. За счет высокого парциального давления концентрация азота в воде сильно превышает концентрацию кислорода. Образующийся в процессе гниения аммиак существенно оказывает влияние на технологию хлорирования воды.

Метан. В природных водах его концентрация не значительна, но в подземных водах газонефтеносных районов и в болотных водах его содержание доходит до 50 мг/л. При концентрации метана в воздухе 5,3 – 14 % создается взрывоопасная ситуация.

Оксид углерода IV. В поверхностных водах концентрация углекислого газа находится в пределах 20 – 30 мг/л, в подземных не минерализованных водах – 90 мг/л. В подземных водах он появляется в результате процессов разложения органических соединений и биохимических процессов.

При некоторых условиях в воде может образовываться большое количество угольной кислоты H2CO3 , которая, находясь в равновесии с CO2 , может вызвать коррозию металлических поверхностей, отложения и разрушать бетон.

Сероводород, H2S. Его присутствие характерно для подземных источников, где он образуется в результате процессов разложения и восстановления некоторых минеральных солей (гипса, серного колчегана и пр.). Вследствие способности легко окисляться, в поверхностных водах сероводород практически не встречается. Появление же его в поверхностных источниках может быть вызвано протеканием гнилостных процессов или сброса неочищенных сточных вод.

Сероводород придает воде неприятный запах, ощутимый при его концентрации от 0,5 мг/л, а также вызывает процесс коррозии и размножению серобактерий. Санитарными правилами концентрация сероводорода должна быть не более 0,003 мг/л.

 

Взвешенные вещества.

Появляются в воде в результате смыва твердых частичек песка, глины, илистых веществ с верхнего покрова земли талыми водами весенних и осенних паводков, а также дождями и водами разлившихся рек и ручьев.

Повышение мутности воды может быть вызвано выделением гидроксидов алюминия, марганца, железа (III), высокомолекулярных органических примесей гумусового происхождения, сбросом неочищенных сточных вод.

Взвешенные вещества различаются по своему гранулометрическому составу. Для питьевой воды мутность должна составлять не более 1,5 мг/л.

Удаление из воды взвешенных веществ проходит на колонных осветлительных фильтрах, а сам процесс называется осветлением. В качестве фильтрующей среды для осветления воды используют песок, угль и другие засыпки.

 

Органические вещества.

Наиболее значительными поставщиками органических веществ в природные воды являются почвенный и торфяной гумус, продукты жизнедеятельности и разложения растительных и животных организмов, сточные воды промышленных предприятий.

Наиболее сильно окрашивают воду гумусовые вещества, придающие ей оттенки желтого или бурого цветов. Они представляют собой высокомолекулярные соединения, содержащие плоские сетки циклически полимеризованного углерода с атомами H, O и др. и функциональными группами – OH, – COOH. Гумусовые вещества разделяются на гуминовые, ульминовые, креновые, апокреновые (фульвокислоты) и прочие кислоты, а также их растворимые в воде соли.

Наибольшую угрозу для водоемов с точки зрения загрязнения органическими веществами представляют неочищенные стоки промышленных предприятий, в состав которых могут входить белки, жиры, углеводы, органические кислоты, эфиры, спирты, фенолы, нефть и др.

 

Гидробионты.

В процессе жизнедеятельности влияют как на состав окружающей среды, так и на качество воды.

    Они подразделяются на :
  • Планктон – обитатели, пребывающие в толще воды от дна до поверхности;
  • Бентос – обитатели дна водоема;
  • Нейстон – обитатели поверхностного слоя воды, населяющие поверхностную пленку воды;
  • Пагон – организмы (моллюски, ракообразные, коловратки и др.), зимой находящиеся в состоянии анабиоза, оживающие весной и пребывающие среди бентоса или планктона.

 

Гидрофлора водоема.

Определяется макрофитами (высшая водная растительность) и микрофитами ( водоросли – фитопланктон и фитобентос). При отмирании и разложении макрофитов вода обогащается органическими веществами, появляется запах, ухудшаются органолептические свойства воды.

 

Бактерии и вирусы.

Из тех, кто является патогенными, т.е. паразитами, живущими на живом субстрате, могут вызвать заболевания брюшным тифом, парафитом, дизентерией, гепатитом и прочими малоприятными заболеваниями.

При биологическом анализе определение патогенных бактерий затруднено, то при бактериологическом анализе воды выявляют общее число бактерий в 1 мл воды, растущих при 37 0C, и кишечных палочек – бактерий коли, наличие которых свидетельствует о загрязнении воды выделениями людей и животных.

Что бы исключить возможность попадания в питьевую воду различных бактерий и вирусов мы рекомендуем комплексно очищать и обеззараживать воду применяя современные системы очистки воды для бытовых и питьевых нужд.