Водоподготовка

Требования, предъявляемые к природным водам различными водопотребителями

Природная вода — сложная, непрерывно изменяющаяся система. В состав воды входят: соли, преимущественно в виде ионов, молекул и комплексов, органические вещества — в молекулярных соединениях и коллоидном состоянии; газы — в виде молекул и гидратированных соединений; диспергированные примеси; гидробионты (планктон, бентос, нейстон, пагон); бактерии и вирусы. Во взвешенном состоянии в природных водах содержатся глинистые, песчаные, гипсовые и известковые частицы; в коллоидном — различные вещества органического происхождения, кремнекислота, гидроксид железа (III), фуль- вокислоты, гуматы; в истинно растворенном состоянии находятся в основном минеральные соли, обогащающие воду ионами. Качество природных вод весьма разнообразно.

С точки зрения водоподготовки наиболее общими и характерными признаками загрязняющих воду веществ являются формы нахождения их в воде. Исходя из этого, Л.А. Кульским предложена классификация примесей воды, основанная на их фазовом состоянии и дисперсности. Эта классификация имеет широкое практическое применение, так как дает приемлемое обоснование технологическим приемам водообработки и преследует цель упорядочить выбор состава очистных сооружений. Все примеси разделены на четыре группы.

Примеси первой группы — это 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 взвешенные вещества выпадают в осадок.

Примеси второй группы — это гидрофобные и гидрофильные органические и минеральные коллоидные частицы, а также нерастворимые и недиссоциированные формы гумусовых веществ, детергенты и вирусы, которые по своим размерам близки к коллоидным примесям.

Примеси третьей группы — это молекулярно растворимые вещества (органические соединения, растворимые газы и т. п.).

Примеси четвертой группы — это вещества, диссоциированные на ионы.

Концентрация отдельных примесей в воде определяет ее свойства, т. е. качество воды. Различают показатели качества воды физические (температура, взвешенные вещества, цветность, запах, вкус и др.), химические (жесткость, щелочность, активная реакция, окисляемость, сухой остаток и др.), микробиологические и паразитологические.

Для определения качества воды производят физические, химические, микробиологические, паразитологические и технологические анализы в наиболее характерные для данного водоисточника периоды года.

Порядок отбора проб из источника регламентирован ГОСТ 18963-73. Выбор и оценка качества источников централизиро- ванного хозяйственно-питьевого водоснабжения производятся в соответствии с требованиями ГОСТ 17.1.3.03-87.

Выбор источника производственного водоснабжения делается с учетом требований, предъявляемых потребителями к качеству воды.

Ниже приводятся ряд основных показателей качества природных вод и значения их для некоторых потребителей.

Температура поверхностных вод подвержена значительным сезонным колебаниям (от 0,1 до 30 °С). Подземные воды имеют более стабильную температуру (8—12 °С). Наиболее приемлема для питьевых нужд вода с температурой 7—11 °С.

Прозрачность, мутность и взвешенные вещества характеризуют наличие в воде суспензированных частиц песка, глины, ила, планктона, водорослей, которые попадают в нее в результате эрозии берегов, взмучивания осадка со дна с дождевыми и талыми водами и т. п.

При большой концентрации взвешенных веществ в воде их количество определяется весовым методом, при относительно небольшом содержании взвешенных веществ применяют косвенный метод — определяют мутность на мутномет- ре, фотоэлектроколориметре (ФЭК) или определяют прозрачность.

Мутность — характеристика, обратная прозрачности. Прозрачность воды — это предельная высота столба воды (см), через который можно читать текст, набранный стандартным шрифтом (высота букв 3,5 мм). Прозрачность питьевой воды должна быть не менее 30 см.

Количество взвешенных веществ в воде выражается в миллиграммах на литр по каолину (мг/л) или единицах мутности по формазину (ЕМФ).

В соответствии с СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода» количество взвешенных веществ в питьевой воде не должно превышать 1,5 мг/л. Количество взвешенных веществ, которое допускается в воде, используемой для производственных целей, зависит от характера производства. На многих производствах можно использовать воду с гораздо большим содержанием взвешенных веществ. В то же время для некоторых производств химической, пищевой, электронной и других отраслей промышленности требуется вода такого же или более высокого качества.

Цветность воды, т. е. ее окраска, обусловлена присутствием в воде гумусовых и дубильных веществ, жиров, органических кислот и других органических соединений. Наряду с этим окраска воды может быть вызвана присутствием соединений железа, марганца, сточных вод некоторых производств или «цветением» водоемов.

Цветность природных вод обычно обусловлена гумусовыми веществами. Гумусовые вещества почвы в природных водах находятся во взвешенном состоянии, фульво- и гуминовые кислоты — в коллоидном и истинно растворимом состоянии.

Цветность вод измеряется в градусах платино-кобальтовой шкалы. Для питьевой воды она не должна превышать 20 град. Цветность определяют колориметрически, сравнивая цвет пробы с эталонами шкалы цветности, или применяют фотоэлектроколориметры для измерения оптической плотности. Отдельные виды производств предъявляют различные требования к цветности используемой воды.

Привкусы и запахи, встречающиеся в природных водах, могут быть естественного или искусственного происхождения. Они зависят от химического состава примесей и температуры.

Запахи и привкусы придают воде сероводород, соли железа, сульфаты кальция (вяжущий) и магния (горький), хлорид натрия (соленый), органические вещества (продукты жизнедеятельности микроорганизмов и водная растительность), а также сбрасываемые сточные воды отдельных предприятий.

К запахам естественного происхождения относят ароматический (огуречный, цветочный); болотный (илистый, тинистый); гнилостный (фекальный, сточный); древесный, землистый, плесневый, рыбный, сероводородный, травянистый и др.

К запахам искусственного происхождения относят фенольный, хлорфенольный, камфорный, бензиновый, хлорный и др.

Различают четыре основных вкуса: соленый, горький, сладкий и кислый. Остальные особенности относят к привкусам.

Интенсивность запахов и привкусов определяют органолептически и выражают по пятибалльной шкале. Для питьевой воды по нормам СанПиН запахи и привкусы не должны превышать двух баллов при 20°С.

Общая минерализация (сухой остаток) — общее количество веществ (кроме газов), содержащихся в воде в растворенном состоянии. Сухой остаток получают в результате выпаривания профильтрованной воды и высушивания задержанного остатка до постоянной массы при Т= 110 °С. В воде, используемой для хозяйственно-питьевых целей, сухой остаток не должен превышать 1000 мг/л, в особых случаях — 1500 мг/л. Сухой остаток лимитируется также в воде, поступающей для питания паровых котлов, и в воде, используемой в производстве кинопленки, синтетического каучука и др.

Хлориды и сульфаты благодаря своей высокой растворимости присутствуют во всех природных водах обычно в виде натриевых, кальциевых и магниевых солей. При значительном их содержании вода становится агрессивной по отношению к бетону. Для хозяйственно-питьевой воды предельно допустимое содержание хлоридов С1^_ — 350 мг/л, сульфатов S0₄^2- — 500 мг/л.

Щелочность воды определяется суммой содержащихся в воде гидроксильных ионов и анионов слабых кислот — угольной, органических, а также бикарбонатных и карбонатных ионов; измеряется в мг-экв/л.

Жесткость воды обусловливается содержанием в ней солей кальция и магния. Различают карбонатную жесткость (карбонатные и бикарбонатные соли кальция и магния) и некарбонатную (некарбонатные соли кальция и магния — сульфаты, хлориды, нитраты и др.). Сумма карбонатной и некарбонатной жесткости определяет общую жесткость.

Соли жесткости не вредны для здоровья, но присутствие их затрудняет использование воды для хозяйственно-бытовых нужд (дополнительный расход мыла при стирке, отложение осадков в трубах водопровода).

Общая жесткость хозяйственно-питьевой воды не должна превышать 7 мг-экв/л, а в особых случаях — 10 мг-экв/л.

Жесткая вода непригодна для питания котлов, паросиловых установок тепловых электростанций и теплоэлектроцентралей. Жесткость воды лимитируется для предприятий бумажной, текстильной промышленности, при производстве искусственного волокна и др.

Железо и марганец присутствуют в природных водах в формах, зависящих от величины pH, окисляемости и содержания кислорода. Железо может находиться в форме двух- и трехвалентных ионов, органических и неорганических коллоидов, комплексных соединений, в виде тонкодисперсной взвеси, сульфида железа, гидроксида железа (II). В подземных водах при отсутствии кислорода железо и марганец встречаются обычно в форме двухвалентных солей, в поверхностных водах — в виде органических комплексных соединений, коллоидов или тонкодисперсных взвесей.

Вода, содержащая повышенную концентрацию железа, неприятна на вкус, причиняет неудобства в быту, оказывает влияние на печень, увеличивает риск инфарктов. Избыток марганца вызывает окраску и вяжущий привкус, заболевание костной системы. Поэтому содержание железа в питьевой воде не должно превышать 0,3 мг/л, а марганца — 0,1 мг/л. Содержание железа и марганца ограничивают в воде, используемой при производстве пластмасс, кино- и фотопленки, бумаги, в текстильной, пищевой промышленности и др.

Активная реакция воды является показателем ее щелочности или кислотности и характеризуется концентрацией водородных ионов.

Вода, подаваемая для хозяйственно-питьевых нужд, должна иметь pH в пределах 6—9. Для вод большинства природных источников значение pH не отклоняется от указанных пределов.

Окисляемость воды обусловливается присутствием органических и некоторых неорганических примесей, таких, как железо (II), сульфиты, сероводород и др.

Различают перманганатную и бихроматную окисляемость. ГОСТом 2874-82 «Вода питьевая» окисляемость не лимитировалась. В связи с возросшим антропогенным загрязнением водоемов и повышением окисляемости природных вод, связанной с присутствием хлорорганики, пестицидов, гербицидов, нефтепродуктов, бензола и др., СанПиН 2.1.4.559-96 ограничивают окисляемость питьевой воды до 5 мг 0₂/л. Характерно, что окисляемость воды после коагулирования, отстаивания и фильтрования снижается меньше, чем цветность.

Окисляемость лимитируется для питательной воды котлов (из-за вспенивания), для охлаждающей воды (из-за возможного биообрастания труб и аппаратуры), а также для воды, используемой для изготовления синтетических волокон и некоторых пластмасс.

Азотсодержащие соединения в природных водах могут быть органические и неорганические в виде нитратов N0₃^_, нитритов N0₂^- и аммонийных солей NH₄⁺.

Повышенное количество азота в природной воде в органических соединениях или в аммонийной форме свидетельствует о загрязнении водоисточника сточными водами, как бытовыми, так и производственными. Поэтому в питьевой воде не допускается присутствие органического и аммонийного азота и нитритов. В соответствии с указанными СанПиН в питьевой воде содержание нитратов (по N0₃^_) не должно превышать 45 мг/л.

Фтор является активным в биологическом отношении микроэлементом, содержание которого в питьевой воде должно поддерживаться в пределах 0,7—1,5 мг/л (в зависимости от климатических условий).

Растворенные в воде газы — кислород, углекислый газ, сероводород, метан, азот.

Углекислота, кислород и сероводород придают воде при определенных условиях коррозионные свойства по отношению к бетонам и металлам.

Углекислота содержится во всех природных водах. В зависимости от pH она может быть в виде растворенного в воде газа С0₂, бикарбонат-ионов НС0₃^-, карбонат-ионов С0₃^2_.

Кислород попадает в воду при ее контакте с воздухом. Резкое снижение содержания кислорода в воде указывает на ее загрязнение. Растворенный в воде кислород интенсифицирует коррозию металла, поэтому в питательной воде теплоэнергетических установок его концентрация строго ограничивается.

Сероводород придает воде неприятный запах, вызывает коррозию металла. Присутствие H₂S в хозяйственно-питьевой воде не допускается.

Азот в природные воды поступает из воздуха, а также при разложении органических остатков и восстановлении азота денитрифицирующими бактериями.

Метан обычно присутствует в болотных водах. В природных водах, используемых для водоснабжения, он может присутствовать в незначительных количествах.

Бактерии и вирусы могут интенсивно развиваться в воде. В соответствии с СанПиН 2.1.4.559-96 безопасность питьевой воды в эпидемическом отношении определяется ее соответствием нормативам по микробиологическим и паразитологическим показателям. Для питьевой воды определяются микробиологические показатели: общее микробное число ОМЧ (количество колоний бактерий в 1 мл) — не более 50; общие и термотолерантные колиформные бактерии — отсутствие в 100 мл; колифаги — отсутствиие бляшкообразующих единиц (БОЕ) в 100 мл. При обнаружении в повторной пробе воды вышеперечисленных загрязнений проводятся исследования на наличие патогенных бактерий и вирусов определением цист лямблий (в питьевой воде — отсутствие в 50 л воды) и спор сульфитре- дуцирующих клостридий (в питьевой воде — отсутствие в 20 мл).

На большинстве производств бактериальное загрязнение воды не препятствует ее использованию для технических целей. Исключение составляют предприятия, для которых требуется вода питьевого качества.

Здесь перечислены лишь основные свойства природных вод. В практике приходится встречаться еще с целым рядом специфических свойств природных вод. Например, питьевая вода не должна содержать более 0,05 мг/л мышьяка, 1 мг/л меди, 5 мг/л цинка, 0,03 мг/л свинца и 0,5 мг/л алюминия.

В зависимости от целевого назначения к воде предъявляют разнообразные требования, согласно которым ее можно классифицировать как используемую: для хозяйственно-питьевых целей, коммунальных предприятий, нужд пищевой и некоторых других отраслей промышленности; для охлаждения (технологического оборудования, пара, жидких и газообразных продуктов, доменных и мартеновских печей, конденсаторов турбин и паровых машин, вагранок, кузнечных молотов и др.); для нужд паросилового хозяйства (питание паровых котлов ГРЭС и ТЭЦ); для технологических нужд промышленности, где вода может входить в состав продукции или контактировать с ней; для заводнения нефтяных пластов; для нужд сельского хозяйства.

Хозяйственно-питьевая вода должна быть безвредна для здоровья человека, иметь хорошие органолептические показатели и быть пригодной для использования в быту. Качество хозяйственно-питьевой воды регламентировано СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизированных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества». Выполнение требований санитарных правил гарантирует эпидемическую и радиационную безопасность, безвредность по химическому составу и благоприятные органолептические свойства питьевой воды.

Эпидемическая безопасность питьевой воды нормируется по микробиологическим и паразитологическим показателям (общее микробное число, общие колиформные бактерии, колифаги и др.).

Радиационная безопасность питьевой воды нормируется показателями общей а- и р-активности.

Безвредность воды по химическому составу нормируется по обобщенным показателям (pH, общая минерализация, общая жесткость и др.); химическим веществам, наиболее часто встречающимся в природных водах: неорганическим (А1³⁺; Ва³⁺; Fe²⁺; Fe³⁺ и др.) и органическим (ДДТ; 2,4-D и др.); веществам антропогенного происхождения, получившим глобальное распространение; реагентам и вредным химическим веществам, поступающим и образующимся в воде в процессе ее обработки в системе водоснабжения (хлор, озон, хлороформ и т. д.); вредным химическим веществам, поступающим в источники водоснабжения в результате хозяйственной деятельности человека.

Органолептические свойства питьевой воды нормируются по запаху, привкусу, цветности и мутности: запахи и привкусы при 20 °С — до 2 баллов, цветность — до 20 град, мутность — до 1,5 мг/л.

Ряд отраслей пищевой промышленности помимо лимитов СанПиН 2.1.4.559-96 предъявляют к воде дополнительные требования. Так, в воде, используемой в пивоварении, должны отсутствовать сульфаты, содержание железа не должно превышать 0,1 мг/л; в воде для винокуренного производства не должно содержаться хлористых магния и кальция; в воде для производства сахара должно быть минимальное солесодержание и т. д.

Качество охлаждающей воды не нормируется, так как оно зависит от условий применения, но очевидно, что охлаждающая вода не должна давать отложения в трубах и аппаратах, по которым она подается, так как в этом случае затрудняется теплопередача и сокращается живое сечение, снижаются интенсивность циркуляции и эффект охлаждения. Вода, используемая для целей охлаждения, не должна содержать крупных минеральных взвешенных веществ, большого количества железа и органических примесей.

Вода для технологических нужд промышленности в зависимости от ее целевого использования должна отвечать самым разнообразным требованиям. Так, в воде, используемой в горнодобывающей промышленности при добыче, отмывке, гидротранспорте, обогащении и сортировке полезных ископаемых, должны отсутствовать грубые взвешенные частицы. Весьма специфические требования предъявляют к воде, применяемой для обработки готовой продукции, а также к воде, входящей в состав продукта.

Ряд промышленных предприятий предъявляет к воде требования, значительно превышающие лимиты СанПиН 2.1.4.559-96. Так, в воде, идущей на изготовление кино- и фотопленки, фотобумаги, не должно содержаться марганца, железа, кремне- кислоты, ограничиваются окисляемость воды и содержание хлоридов. В воде, применяемой для изготовления растворов кислот и щелочей, красителей и мыла, жесткость должна быть не более 0,35 мг-экв/л.

Вода для нужд сельского хозяйства (птице- и зооферм, для орошения, мелиорации и др.) по своему качеству должна соответствовать целевому назначению. Для водопоя птиц, зверей и животных на фермах следует подавать воду питьевого качества. При невозможности соблюдения этого требования допускается кратковременно производить водопой животных водой с повышенным минеральным составом, а именно: сухой остаток — до 5 • 10³, хлориды — до 2 • 10³, сульфаты — до 2,4 • 10³ мг/л, общая жесткость — до 45 мг-экв/л. Допускается использование воды с повышенной цветностью, с привкусом и запахом при ее температуре 8—15°С.