2.4.Показатели качества природных вод.

Показатели качества природных вод в целом характеризуются разнообразными показателями важнейшими из которых являются: температура, реакция среды, цветность, запах и привкус, мутность, ионный состав, наличие соединений железа и марганца, жесткость, окисляемость, наличие растворенных газов, наличие соединений фтора, иода и токсичных соединений, санитарно-бактериологические и гидробиологические показатели. Показатели качества воды регламентируются ГОСТами.

Температура — физический показатель качества воды. Температура воды поверхностных водоисточников в зависимости от сезона года изменяется от 0 до 30°С. Под­земные источники водоснабжения имеют относительно пос­тоянную температуру 8—12°С. Для питьевых целей жела­тельно иметь воду с температурой 7—15°С.

Температура влияет на вязкость воды и, следовательно, на скорость осаждения взвешенных частиц. Измеряется температура непосредственно при отборе про­бы термометром с делениями до 0,1°С с точностью ±0,5°С.

Реакция среды. Вода хозяйственно-питьевого назна­чения должна иметь рН = 6,5—8,5. Такое требование свя­зано с необходимостью удовлетворения физиологических потребностей человека и исключения коррозии материалов труб и сооружений. Для большинства природных во­доисточников величина рН не выходит за эти пределы .Значение pH определяют электрометрически со стеклянным и каломельным электродами. Допускается измерение с набором буферных смесей в качестве стандартных.

Величина рН - мера активной реакции среды, или активной кислотности, обусловленной присутствием в растворе свободных ионов водорода. Для количественной характеристики кислотности растворов пользуются также понятием “общая кислотность”, для выражения которой служит нормальность, равная числу г-экв кислоты 1 л. Общая кислотность называется титруемой аналитической, так как определяется титрированием раствора щелочью. Активная кислотность составляет только часть общей кислотности и тем большую, чем выше степень диссоциации кислоты, присутствующей в растворе.

Для характеристики растворов с величиной pH = 4,5 кроме активной и общей кислотности определяют свободную кислотность, которая выражается числом г-экв щелочи, необходимым для нейтрализации 1 л раствора до рН =4,5.

Цветность - показатель, обусловленный наличием в воде гуминовых и фульвокислот и их растворимых солей, а также присутствием соединений железа. Примеси, обусловливающие цветность воды по степени дисперсности относятся ко второй и третьей группам. Количество примесей в воде, обусловливающих цветность, зависит от многих факторов и главным образом от наличия торфяников в бассейне водоисточника.

Цветность воды, имеющей большую концентрацию взвешенных веществ, определяют после предварительного отстаивания пробы или в фильтрате. При массовом развитии водорослей в поверхностных водоемах вода может приобретать различные оттенки, однако на величину показателя “цветность” это не должно влиять, так как при фильтровании воды клетки водорослей задерживаются на фильтре. Следует отметить, что нет прямого соответствия между цветностью и количеством органических веществ, вызывающих окраску. Поэтому степень цветности выражают не в мг/л какого-то вещества, а в особых единицах и градусах. Измерение производится путем сравнения робы со стандартным раствором, приготовленным из смеси солей хлорплатината калия K₂PtCI₆ и хлорида кобальта СоCL₂ (платиново-кобальтовая шкала). Окраска воды, соответствующая окраске стандартного раствора. Который содержит 0,1 мг платины в 1 мл, оценивается 1 град цветности. В качестве стандартного можно применять также раствор, приготовленный из бихромата калия и сульфата кобальта. Цветность речных вод колеблется в больших пределах — от 35 до 55 град, достигая в отдельных случаях 200 град и выше. .

Запахи и привкусы — органолептические показатели качества воды. Запахи вызывают летучие пахнущие ве­щества. Запахи и привкусы природной воды обусловлены присутствием веществ естественного происхождения или ве­ществ, попадающих в воду в результате загрязнения ее стоками. Естественные запахи (землистый, гнилостный, болотный, сероводородный и т.д.) связаны, как правило, с развитием в водоеме водорослей, плесеней, актиномицетов и других водных организмов. Запахи искусственного происхождения классифицируют как хлорный, фенольный, аптечный и т.д. Вкус описывают к.ак соленый, сладкий, горький, кислый. Отмечают также особые привкусы — щелочной, металлический и пр. При определении эапаха и привкуса сначала устанавливают их характер, а затем интенсивность, оцениваемую по пятибалльной системе. При выполнении анализа на запах и привкус обязательно указывается температура, поскольку интенсивность этих показателей увеличивается с повышением температуры. Вода источников хозяйственно-питьевого снабжения обычно имеет запах и привкус не выше 3—4 баллов.

Чаще всего питьевая вода не имеет вкуса. Воды под­земных источников могут иметь солоноватый и горько-солоноватый вкус вследствие содержания солей в высоких концентрациях.

Мутность природной воды обусловлена присутствием нерастворенных и коллоидных веществ неорганического (глина, песок, гидроксид железа) и органического (илы, микроорганизмы, планктон, нефтепродукты) происхож­дения, т.е. примесями, относящимися по степени диспер­сности к первой и второй группам. . Измеряют мутность различными методами, основан­ными на сравнительной оценке исследуемой пробы со стан­дартным раствором, мутность которого создается внесением в дистиллированную воду стандартной суспензии диоксида кремния SiO₂. Результаты определения мутности выражают в мг/л. В речных водах мутность выше, чем в подземных. В период паводков мутность речных вод может достигать десятков тысяч миллиграммов в 1 л. В питьевой воде мутность, согласно действующим в нашей стране санитарным нормам, должна быть не выше 1,5 мг/л.

Наличие в воде нерастворенных и коллоидных примесей можно оценить и по степени прозрачности пробы. Прозрачность определяют в цилиндрах из бесцветного стекла высотой 30—50 см с плоским дном. Проба считается прозрачной, если через столб воды в цилиндре, помещенном на расстоянии 2 см от контрольного текста, напечатанного специальным шрифтом, можно прочитать текст и различить указанные в нем цифры или же четко видеть крест, нанесенный черными линиями толщиной 1 мм, с четырьмя точками по полям. Высота столба воды в сантиметрах есть прозрачность воды «по шрифту» или «по кресту». Для характеристики природных вод применяют и другой показатель — содержание взвешенных веществ. Под взвешенными веществами понимается количество загрязнений, которое задерживается на бумажном фильтре при фильтрации пробы (при атмосферном давлении или слабом разрежении). Для фильтрования загрязненных вод используют самый пористый фильтр типа "белая лента", а при исследовании воды с загрязнением не более 25 мг/л - тонкие мембранные фильтры. Фильтр со взвешенными веществами высушивается при 105"С до постоянного веса, и по разнице веса фильтра до и после фильтрации определяется количество взвешенных веществ в воде. Между количеством взвешенных веществ и прозрачностью однозначной связи нет. Прозрачность определяется наличием не только взвешенных частиц, но и коллоидных примесей, которые не задерживаются бумажным фильтром, а потому не включаются в состав показателя взвешененных веществ. Кроме того, прозрачность зависит также от формы и размеров частиц, что для показателя взвешенных веществ значения не имеет. Несмотря на эти различия, ориентировочных определений (в целях упрощения эксплуатационного контроля) по результатам длительных наблюдений строят график зависимости прозрачности от количества взвешенных веществ, с помощью которого на основании быстро и легко выполняемого определения прозрачности можно с достаточной степенью точности установить количество взвешенных частиц в воде. Сухой остаток и потери при прокаливании. В практике водоподготовки под сухим остатком понимают общую сум­му неорганических и органических соединений в растворенном и коллоидно растворенном состоянии. Сухой остаток определяют выпариванием предварительно профильтрован­ной пробы с последующим высушиванием при 10°С. Потери при прокаливании определяют содержание в сухом остатке органических веществ. Остаток после прокаливания характеризует солесодержание воды.

Сухой остаток в воде источника хозяйственно-питьевого назначения и в питательной воде не должен превышать 1000 мг/л, так как употребление человеком воды с повы­шенным солесодержанием вызывает различные заболе­вания.

Ионный состав. Как уже было сказано, общее солесо­держание природных вод в большинстве случаев с доста­точной степенью точности определяется катионами Nа⁺ , К⁺, Са²⁺, Мg²⁺ и анионами НСО₃^, S0₄^2, Сl^. Остальные ионы присутствуют в воде в незначительных количествах, хотя их влияние на свойства и количество воды иногда очень велико. Поскольку вода электронейтральна, то сумма положительных ионов равна сумме отрицательных ионов:

[Nа⁺] + [К⁺] + [Сa²⁺ ] + [Mg²⁺] = [HCO₃^] + [SO₄^2] + [Сl^] ( 2.0)

Сульфаты, хлориды, силикаты. Естественное содер­жание сульфатов и поверхностных и грунтовых водах обусловлено выветриванием пород и биохимическими процесами, происходящими в водоносных слоях.

По ГОСТу предельное содержание сульфат-ионов в воде источников централизованного водоснабжения не должно превышать 500 мг/л, но, как правило, в речной воде концентрация сульфатов составляет 100—150 мг/л. Повышенная концентрация сульфатов может свидетельствовать о загрязнении источника сточными водами, в основном производственными. Хлориды являются составной частью большинства природных вод. Содержание хлоридов естественного происхождения имеет большой диапазон колебаний. Однако в воде рек концентрация хлоридов невелика — она превышает обычно 10—30 мг/л, поэтому повышенное количество хлор-ионов указывает на загрязнение источника сточными водами. В воде источников централизованного водоснабжения концентрация хлоридов не должна превышать 350 мг/л. Лимитирование верхнего предела концентраций сульфатов и хлоридов обусловлено тем, что более высокие концентрации этих ионов придают воде солоноватый привкус и могут вызывать нарушение в работе желудочно-кишечного тракта у людей. При некоторых соотношениях сульфатов и хлоридов вода становится агрессивной по отношению к различным типам бетона. Силикаты в растворе определяют лишь в тех природных водах, где их содержание зависит от геологических условий и присутствия некоторых организмов. В природных водах кремниевая кислота может находиться ' в формах метакремниевой Н2SiO3 (Si02H2O), ортокремниевой Н4SiO4.(SiO2*2Н20) и поликремниевой Н2SiO5 (2Si02H2O), кислот. Все эти кислоты при обычных для природных вод значениях рН малорастворимы и образуют в воде коллоидные растворы. Силикаты — нежелательная примесь в воде, питающей котлы, так как дает силикатную накипь на стенках котлов.

Наличие нерастворенных силикатов (песок) в природных водах связано с атмосферными осадками, смываемыми с территории населенных пунктов.

Соединения железа и марганца. Железо практически всегда встречается и в поверхностных, и в подземных водах; концентрация его зависит от геологического строения и гидрогеологических условий бассейна. Соединения железа в воде присутствуют в растворенной, коллоидной форме и нерастворенной форме. В истинно растворенном состоянии Ре^ может находиться в очень небольших концентрациях; не­обходимым условием при этом является низкое значение рН. Поскольку это условие для природных вод не харак­терно, то большая часть Ре присутствует в коллоидной форме и в виде тонкой суспензии. В подземных водах железо присутствует в форме Ре^. Двухвалентное железо в воде в присутствии растворенного кислорода очень быстро переходит в трехвалентную форму и образует малораст­воримый гидроксид железа, выпадающий в осадок:

4Fе(2+) + 8НСОз(-) + 02 + 2Н20 ----- 4Ре(ОН)з + 8CO2. ( 2.0)

Повышенное содержание железа в поверхностных водах указывает на загрязнение их производственными сточными водами. Высокое содержание железа вызывает отложение осадка в трубах и их зарастание, а также ухудшает вкус питьевой воды. Содержание железа в питьевой воде допу­скается в количестве не более 0,3 мг/л. Содержание мар­ганца обычно меньше, чем железа. Так, для воды рек средней части нашей страны количество железа варьирует от 0,1 до 1 мг/л , а марганца —от 0 до 0,05 мг/л.

Щелочность. Щелочностью называют содержание в во­де веществ, вступающих в реакцию с сильными кислотами, т.е. ионами водорода. Это одна из важнейших харак­теристик природной воды. На щелочность воды существенным образом оказывает влияние состояние соединений углекислоты, которое поэто­му следует рассмотреть более подробно.

Углекислота может присутствовать в воде в форме недиссоциированных молекул Н2СОз (в малых количест­вах), молекулярно растворенного диоксида углерода 002 н гидрокарбонатов (бикарбонатов) Н2СОз, если рН воды менее 8,4, и в виде карбонатов 002, если рН более 8,4.

Количественное соотношение между различными со­единениями углекислоты определяется уравнениями диссоциации первой и второй ступени. Константы ассоциации первой и второй ступени К1 и К2 зависят от концентрации ионов водорода, поэтому существование различных форм углекислоты в растворе определяется рН. Из рис. 19 следует, что при рН = 3,7—4 вся находящаяся в воде углекислота представлена только диоксидом углерода CO2. По мере повышения рН доля CO2 уменьшается, а следовательно, возрастает доля гидрокарбинатов.

При рН = 8,3—8,4 практически вся углекислота находи в виде гидрокарбонатов (98%), а на долю CO2 + СO3(2-) приходится менее 2%. При дальнейшем повышении (более 8,4) свободного CO2 в воде нет, а только гидрокарбонат- и карбонат-ионы. При рН=>12 в растворе на находятся только карбонаты.

Экспериментально щелочность определяют титрованием соляной или серной кислотой последовательно с индикаторами фенолфталеином и метилоранжем. Окраска фенолфталеина при рН = 8,2—8,4 переходит из розовой в бесцветную, что совпадает с таким состоянием раствора, когд в нем остаются лишь гидрокарбонаты. Метилоранж меняет окраску при рН = 4—4,3, т.е. в момент, когда в раствор остается свободный диоксид углерода CO2.

При титровании с фенолфталеином протекают реакции нейтрализации гидроксильных ионов ОН(-) и карбонатных ионов с образованием соответственно воды и гидрокарбонатов:

ОН(-) + Н(+) -- Н20; С0з(2-)+ Н(+) — НСОз(-). ( 2.0)

Следовательно, расход кислоты на титрование с фенол-фталеином эквивалентен содержанию гидроксидов и половины карбонатов, так как последние нейтрализуются только наполовину, до НСОз(-). Таким образом,

Ф = {ОН(-)} + 0,5 [СОз(-2)], ( 2.0)

где Ф — щелочность воды, мг-экв/л; [ОН] и [С0з(-2)] — концентрации гидроксильных и карбонатных ионов, мг-экв/л.

При дальнейшем титровании в присутствии метилоран­жа происходит реакция нейтрализации гидрокарбонатов:

НСОз(2-)+ Н(+) — C02+ Н20. ( 2.0)

Следовательно, весь расход кислоты от начала нейт­рализации и до конца эквивалентен содержанию ионов:

М = [Н0-] + [СОз(2-)] ( 2.0)

Величина М, мг-экв/л, символизирует общую щелочость воды, а Ф — так называемую свободную щелочость, обусловленную наличием гидроксидов и половины карбонатов.

Если рН воды ниже 4—4,3, то ее щелочность равна нулю. Вода рек средней полосы европейской части страны имеет рН = 7—8; щелочность этой воды обычно составляет 3—4 мг-экв/л.

Углекислотные соединения обусловливают и такое свойство воды, как ее агрессивность, которая выражается в разрушающем действии воды на металлы и даже на бетон (подробнее это описано в разд. 4).

Жесткость. Общая жесткость воды Жо показывает концентрацию катионов двухвалентных щелочноземельных металлов, главным образом кальция и магния.

В природных условиях эти элементы попадают в воду вследствие воздействия углекислого газа на карбонатные минералы, в также в результате биохимических процессов, роисходящих в почве.

Общая жесткость:

Жо » [Са(2+)]/20,04 + [Мg(2+)]/12,16, ( 2.0)

где 20,04 и 12,16— эквивалентные массы соответственно Са и Мg.

Различают жесткость карбонатную и некарбонатную. Количество Са и М^, эквивалентное содержанию гидрокарбонатов НСОз, называется карбонатной жесткостью Жк. Если количество гидрокарбонатов в воде превышает содержание Са и Мg ([НСОз] [Са] + [Мё]), то карбонатная жесткость эквивалентна суммарному содержанию Са и Мg. При [НСОз]/61,02 = [Са(2+)]/20,04 + [Мg(+2)]12,16

Жк = Жо = (Са(2+)]/20,04 + [Мg(+2)]/12,16. ( 2.0)

Если же содержание ионов кальция и магния выше, чем количество гидрокарбонатов, то карборатная жесткость равна концентрации [Са(+2)]/20,04 + [Мg(2+)]/12,16

Жк = [НСОз (-)]/61,02 ( 2.0)

Разность между общей и карбонатной жесткостью называется некарбонатной жесткостью;

Жнк= Жо — Жк ( 2.0)

Следовательно, Жнк — это содержание Са и Mg, эквивалентное концентрации всех остальных анионов.

Результаты определения жесткости выражают в мг экв/л. В табл. 1 приведена классификация природных вод по величине их жесткости.

Таблица 2.1