Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод - файл n1.doc

приобрести
Кульский Л.А., Накорчевская В.Ф. Химия воды: Физико-химические процессы обработки природных и сточных вод
скачать (12651.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc12652kb.19.09.2012 18:34скачать

n1.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11
Глава ІІІ.2. КРАТКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД

Все разнообразие природных вод можно разделить на следующие основные группы: поверхностные воды, подземные, а также атмо­сферные осадки.

К поверхностным принадлежат воды открытых водоемов: океанов, морей, рек, озер, водохранилищ, каналов и пр. Их состав определя­ется условиями питания, климатическими и геоморфологическими факторами (рельеф, форма, размер водосборного бассейна), почвен-но-геологическими условиями (состояние почвы и пород), а также хозяйственной деятельностью человека (агротехнические и гидротех­нические мероприятия, развитие промышленности и т. д.).

К подземным водам относятся: верховодка, грунтовые, межплас­товые, артезианские, трещинные, карстовые.

Состав подземных вод в основном определяется условиями их об­разования.

Различают подземные воды, минеральный состав которых сфор­мировался в процессе выщелачивания горных пород; воды, попавшие в осадочные породы в процессе их образования на дне морей и океа­нов и близкие по составу к водам океана, и, наконец, воды, образо­вавшиеся при переходе воды из связанного состояния в свободное под влиянием высокой температуры и давления.

К природным водам относятся атмосферные осадки, выпадающие в виде дождя и снега. Эти воды пополняют запасы поверхностных и подземных вод, а также могут аккумулироваться в искусственных сборниках или естественных резервуарах, которые используются в качестве источников водоснабжения. Состав этих вод определяется чистотой атмосферы, количеством выпадающих осадков и условия-



Большую часть пресных вод составляют воды гидрокарбонатные, подчиненное по­ложение занимают сульфатные и хлоридные (см. главу 1.2). Что же касается соле­ных вод и рассолов, го 99 % их принадлежит к классу хлоридных. При этом соленые хлоридные поверхностные зоды относятся к натриевой группе, т. е. к водам, содер­жащим поваренную соль, а подземные хлоридные соленые воды и рассолы — как к натриевой, так и к кальциево-ллгниевыад группам, реже к калиевой. Приведем средний состав солей (в %) в морской и пресной воде (по Р.. Фюрону):



Глава Ш.З ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ

§1. МЕТОДЫ ОТБОРА ПРОБ ДЛЯ АНАЛИЗА ВОДЫ

Чтобы определить пригодность воды для конкретного вида потреб­ления и выбрать метод ее очистки, необходимо прежде всего выяс­нить качество воды источника, т. е. ее свойства, состав и концентра­цию примесей.

Для определения показателей качества воды производится ее ана­лиз. Соответственно определяемым свойствам различают физический, химический, бактериологический и технологический анализы воды. В результате анализа выясняется степень и характер загрязненнос­ти воды, степень ее эпидемиологической и токсикологической опас­ности.

Вода в источнике может различаться по качеству в зависимости от места отбора и времени года. Поэтому очень важно, чтобы данные анализа отражали качество именно той воды, которая служит источ­ником централизованного или нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Для этого в соответствии с ГОСТ 2761—57 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабже­ния. Правила выбора и оценки качества» пробы из открытого водо­ема нужно отбирать «в месте предполагаемого забора воды как с поверхности, так и с той глубины, которая намечается для будущего

водозабора, а при существующем водозаборе — непосредственно пос­ле насосов, связанных с водозабором».

Пробы воды подземных источников следует брать из того водо­носного горизонта, из которого намечается в будущем водозабор, а при существующем водозаборе (скважина, колодец, каптаж) — из источника, который используется для водоснабжения. Пробы воды из вновь сооруженных или долго бездействовавших скважин берут пос­ле длительной откачки до полного осветления воды при производи­тельности, равной (или несколько большей) запроектированной.

Чтобы определить качество воды открытого водоема и безнапорных подземных (грунтовых) вод, нужен не менее чем троекратный отбор проб (три в весенний, во время половодья, три в летний и три в зимний сезоны). Из озер и больших водо­хранилищ необходимо дополнительно отбирать пробы после длительного волнения, а иг устьев рек, впадающих в море, отбирать пробы также во время нагона воды с моря. Если результаты анализов подземных вод не дают устойчивых показателей, взятие проб и анализ необходимо производить ежемесячно, с апреля по декабрь включительно. Для напорных (артезианских) вод достаточно двух проб, взятых не менее чем через 24 ч одна после другой (при предварительной, не менее чем 24-часовой откачке).

Правильную характеристику воды можно получить только в тех случаях, когда проба отобрана с большой тщательностью.

Методы отбора пробы на анализ (ГОСТ 18963—73 и ГОСТ 4979—49) должны обеспечить максимальное сохранение солевого и газового состава исследуемой воды и гарантировать исключение элементов случайности в отобранной пробе (загрязне­ние, застойность, временная взмученность и др.).

§ 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ

К физическим показателям качества воды относятся температура, прозрачность или мутность, цветность, запах и вкус.

Температура воды. Температура природных вод зависит в первую очередь от их происхождения. Воды подземных источников отлича­ются постоянством температуры, причем с увеличением глубины их залегания сезонные колебания температуры все более уменьшаются. При глубине скважин до 200 м температура воды обычно бывает 6—10 °С.

Температура вод открытых водоемов претерпевает значительные сезонные изменения (0,1—30 °С). Помимо этой причины температура на отдельных участках рек и водохранилищ может меняться из-за поступления нагретых вод от охлаждения производственных агрега­тов, горячих сточных вод, а также при наличии подземных источни­ков питания.

Оптимальной температурой воды, используемой для питьевых це­лей, считается 7—11 °С. По существующим санитарным нормам тем­пература воды летом в результате спуска сточных вод не должна по­вышаться более чем на 3°С по сравнению с максимальной темпера­турой воды в это время года. Предельно допустимая температура воды для технических целей обусловливается технологическими тре­бованиями и экономическими соображениями.

Прозрачность и мутность воды. Природные воды, особенно по­верхностные, редко бывают прозрачными из-за наличия в них взве­шенных частичек глины, песка, ила, органических веществ, фито- и зоопланктона и т. п.

Взвешенные вещества попадают в открытые водоемы вместе с та­лыми или дождевыми водами, а также в результате размыва русел рек. В больших водоемах замутнение воды происходит также у бе­регов за счет взмучивания осадков со дна вследствие волнения в ветреную погоду.

Концентрация взвешенных веществ в некоторых поверхностных
водотоках достигает иногда значительных величин (до 3000—
10000 мг/л), обычно же их содержание колеблется от 100 до
1500 мг/л. Лишь для некоторых рек и водоемов мутность не превы­
шает 10—15 мг/л даже в периоды паводков.

Мутность воды в реках в различные времена года значительно изменяется. Наибольшее содержание взвешенных веществ для рав­нинных рек обычно наблюдается во время весеннего половодья, ког­да поступает поверхностный сток, наименьшее — в зимнее время, когда река покрыта льдом. Концентрация взвешенных веществ в гор­ных реках увеличивается после сильных ливней и в результате тая­ния снега в горах.

Характерным представителем обоих типов рек является Днестр. Эта река имеет два паводка (рис. III.1): в апреле — мае причиной паводка является весеннее тая­ние снега в бассейне реки, в июле—выпадение дождей и таяние снега в горах.

Количественное содержание взвешенных примесей в воде опре­деляют весовым способом. Однако такое определение отнимает мно­го времени, поэтому на практике чаще применяются методы косвен­ной характеристики, а именно: определение прозрачности или мут­ности.

Прозрачность определяется высотой столба воды, через который ясно просматривается специальный шрифт («прозрачность по шриф­ту») или крест из двух черных пересекающихся линий шириной 1 мм на белом диске с четырьмя точками в промежутках («прозрачность по кресту»). Для первого способа нужен стеклянный цилиндр, гра­дуированная часть которого составляет 30 см, для второго требуется специальное оборудование (высота трубки 3 м и более), но он более точен, чем первый.

При содержании взвешенных веществ менее 3 мг/л определение прозрачности описанными методами становится затруднительным. В этом случае определяют мутность воды, которая характеризуется терминами: прозрачная, опалесцирует, слабая муть, мутная.



Мутность воды определяется сравнени­ем при одинаковом освещении образца ис­пытуемой воды с таким же объемом дистил­лированной воды, искусственно замутненной определенным количеством стандартной взвеси (мелко измельченный кремнезем), налитыми в цилиндры одинаковой вмести­мости. Мутность испытуемой воды считает­ся равной мутности воды того из сравниваемых цилиндров, вода в котором наибо­лее подходит к испытуемой, и выражается в миллиграммах на литр стандартной взве-

си. Поскольку заготовлять и хранить цилиндры с водой стандартной мутности затруднительно, вместо цилиндров пользуются кругом с на­бором специальных стекол, имитирующих различную мутность, не превышающую, однако, 2 мг/л (мутномер Бейлиса). Визуальное опре­деление мутности в мутномере можно заменить объективным опре­делением при помощи фототиндалеметра.

Между содержанием взвешенных веществ в воде и ее мутностью нет прямой зависимости, так как мутность воды зависит не только от количества взвешенных веществ, но и от степени их дисперсности и формы. Однако такую зависимость можно установить для каждого конкретного случая путем параллельных определений мутности и кон­центрации взвешенных веществ.

Цветность воды. Чистая вода, взятая в малом объеме, бесцветна; в толстом слое имеет голубоватый оттенок. Другие оттенки свидетель­ствуют о наличии в воде различных растворенных и взвешенных примесей.

Цветность воды обусловливается присутствием в ней гумусовых веществ, массовым развитием водорослей («цветение» водоемов), коллоидными соединениями железа, а также окрашенными сточными водами. Чаще всего причиной цветности воды открытых водоемов являются гумусовые вещества, окрашивающие воду в различные от­тенки желтого и бурого цвета. Содержание гумусовых веществ в при­родных водах колеблется от нескольких до десятков миллиграммов в 1 л. Источники обогащения природных вод гумусовыми вещества­ми весьма разнообразны. Одна часть гумусовых веществ попадает в воду извне (например, почвенный гумус, обогащающий воду раство­римыми и коллоидными соединениями); другая образуется в самих источниках, правда, в незначительных количествах.

При обесцвечивании воды необходимо учитывать не только вели­чину ее цветности, но и состав обусловливающих ее гумусовых ве­ществ, поскольку их устойчивость к действию окислителей и адсор­бентов неодинакова.

При «цветении» водоемов вода в зависимости от вида организмов приобретает различные оттенки: светло-зеленый — при массовом раз­витии водорослей из группы протококковых; зеленовато-бурый — при развитии диатомовых водорослей; темно-бурый оттенок дают пери-диниевые и изумрудно-зеленый — сине-зеленые водоросли. Коллоид­ные соединения железа придают воде оттенки от желтоватых до зе­леных.

Поскольку причины, обусловливающие цветность воды, разнооб­разны, эффективность обесцвечивания ее во многом зависит от уста­новления природы цветности.

Цветность воды выражается в градусах платиново-кобальтовой или дихромат-кобальтовой шкалы. Определяют ее колориметрически путем сравнения исследуемой воды со шкалой образцов, окрашенных платиново-кобальтовым или дихромат-кобальтовым раствором.

Вкус и запах воды. Природная вода может обладать вкусом и запахом. Различают четыре вкуса воды: соленый, горький, сладкий и кислый. Природные воды, используемые для водоснабжения, обла­дают, как правило, лишь солоноватым и горьковатым привкусом

Горький вкус вызывается повышенным содержанием MgSO4) соле­ный — содержанием NaCl. Кислый вкус имеют минеральные воды при большом содержании растворенной угольной кислоты. Кроме того, вода может иметь привкусы, вызванные высокими концентра­циями растворенных солей и не подходящие под приведенную выше классификацию. Так, превышающее нормативы содержание солей железа и марганца придает воде чернильный или железистый при­вкус, сульфата кальция — вяжущий привкус.

Запахи воды бывают двух видов: естественного и искусственного происхождения.

Причинами запахов естественного происхождения являются хими­ческий состав примесей воды, живущие и отмершие организмы, за­гнивающие растительные остатки, специфические органические со­единения, выделяемые некоторыми водорослями и микроорганизма­ми. Среди запахов этой группы различают: ароматический, болотный, гнилостный, древесный, землистый, плесневый, рыбный, травянистый, неопределенный. К этой же группе относится и сероводородный за­пах, вызываемый наличием в воде растворенного сероводорода.

Запахи искусственного происхождения, обусловленные примесями некоторых производственных сточных вод, называют по продуцирую­щим их веществам: фенольный, хлорфенольный, нефтяной, смолис­тый и т. д.

Появление в воде запахов естественного происхождения в некоторых случаях совпадает с цветением водоемов, т. е. с массовым развитием взвешенных водорослей (некоторых сине-зеленых, хризомонад, диато­мовых и т. д.); в других случаях они появляются позже, когда начина­ется разложение отмерших водорослей. Причиной появления привку­сов и запахов естественного происхождения может быть также при­сутствие плесеней и актиномицетов (род лучистых грибов). Последние широко распространены в почвах, откуда микроорганизмы и пахнущие продукты их жизнедеятельности вымываются в водоемы.

Характер и интенсивность запаха и привкуса воды определяются в настоящее время органолептически (т. е. при помощи органов чувств).

Предел вкусовых ощущений человека достаточно высок (например, хлорфенол может быть обнаружен при концентрации 0,000004 мг/л). По принятой в СССР методике привкус и запах воды определяются непосредственной пробой в холодной и подогретой до 60 °С воде (за­пахи при этом усиливаются) и оцениваются по пятибалльной шкале.

Шкалой предусматривается следующая характеристика в баллах:

  1. баллов — запах или привкус не обнаруживается;

  2. балл — очень слабые запах или привкус, которые обнаружива­
    ются лишь опытным исследователем;

  3. балла — слабые запах или привкус, привлекающие внимание по­
    требителей;

  4. балла — заметные запах или привкус, которые легко обнаружи­
    ваются и являются причиной жалоб;

  5. балла — отчетливые запах или привкус, которые могут заставить
    воздержаться от употребления воды;

  6. баллов — очень сильные запах или привкус, при которых вода
    совершенно непригодна для питья.

Вода источников хозяйственно-питьевого снабжения обычно имеет запах не выше 3—4 баллов.

Для оценки интенсивности привкуса и запаха применяется также метод разбавления: исследуемую пробу разбавляют лишенной запаха дистиллированной водой до тех пор, пока привкус или запах не ста­нет неощутимым.

В последнее время стремятся найти объективные методы определе­ния привкуса и запаха с одновременным выделением веществ, их вы­зывающих. Одной из таких попыток является усиление слабых кон­центраций привкусов и запахов путем паровой дистилляции.

§ 3. ХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВОДЫ

При химическом анализе воды определяют ее активную реакцию, окисляемость, наличие азотсодержащих веществ, растворенных в воде газов, сухой остаток, потерю при прокаливании, жесткость, щелоч­ность, хлориды, сульфаты, железо, марганец и другие элементы.

Активная реакция воды. Активная реакция воды определяет сте­пень ее кислотности или щелочности.

Определение величины рН в практике водоподготовки имеет боль­шое значение: рН дает возможность установить форму нахождения в природных водах солей угольной и кремниевой кислот, а также соеди­нений сероводорода, служит для контроля некоторых аналитических определений, играет большую роль при проведении ряда процессов об­работки воды, например при реагентном умягчении, обезжелезивании, удалении марганца и др. Обычно для большинства природных вод рН колеблется в пределах 6,5—8,5.

Большое значение для нормального протекания различных биоло­гических и.физико-химических процессов имеет постоянство рН. В при­родных водах оно обеспечивается присутствующей в них буферной системой, состоящей из растворенной в воде угольной кислоты и гидро­карбонат-ионов [Н2СОз—НСОз-].

Диссоциация угольной кислоты происходит по схеме



го количества щелочи часть ионов Н+, образовавшихся при диссоциа­ции угольной кислоты, связывается в малодиссоциированную воду; это вызывает диссоциацию новых количеств кислоты к восстановление первоначальной концентрации ионов Н+. При доливании к воде кисло­ты избыточные ионы Н+ связываются с ионами НСО3- в малодиссо-

циированную угольную кислоту, в результате чего концентрация ионов Н+ в системе изменяется очень незначительно.

Емкость дикарбонатной буферной смеси в природной воде не осо­бенно велика, однако она дает возможность при различных процессах обработки воды поддерживать значения рН в достаточно узких пре­делах.

Окисляемость воды. Как уже сообщалось, среди компонентов при­родных вод важную роль играют органические вещества. В связи с многообразием определять их индивидуально аналитически трудно. Поэтому, как правило, прибегают к суммарной оценке их содержания в воде путем определения окисляемости. Окисляемость зависит также от присутствия в воде ряда легкоокисляющихся неорганических при­месей: сероводорода, сульфитов, оксида железа (II) и др. Величина окисляемости выражается расходом окислителя или эквивалентного количества кислорода, пошедшего на окисление веществ, содержащих­ся в 1 л воды.

Наименьшей величиной окисляемости (до 2 мг/л О2) характери­зуются артезианские воды. Окисляемость речной воды и воды водо­хранилищ колеблется в пределах 2—10 мг/л, достигая более высоких показателей в водах болотного происхождения, содержащих много гуминовых веществ. Повышенная окисляемость воды может свиде­тельствовать о загрязнении источника производственными или быто­выми сточными водами и требует применения соответствующих меро­приятий по его санитарной охране. Внезапное повышение окисляемос­ти воды является также сигналом загрязнения ее сточными водами. Поэтому величина окисляемости является одним из распространенных показателей для гигиенической характеристики воды.

Окисляемость обычно определяют, обрабатывая исследуемую воду перманганатом калия КМпО4.

Такое определение окисляемости повсеместно применяется на практике, хотя имеет ряд недостатков: степень окисления органических веществ перманганатом раз­лична, некоторые органические вещества им вообще не окисляются.

Более полное окисление (90—95%) присутствующих в природных водах органических веществ может быть достигнуто при замене.пер-манганата дихроматом калия. Высокая степень окисления, достигае­мая при этом методе, дает возможность применять его для количест­венного определения органических веществ в воде.

Определение окисляемости не только дает возможность установить концентрацию органических примесей, но в сочетании с другими пока­зателями (например, цветностью) может служить показателем их происхождения.

Азотсодержащие вещества. Азотсодержащие вещества (ионы NH+ ,

NO2-, NO3-) образуются в воде главным образом в результате разло­жения мочевины и белков, попадающих в нее со сточными бытовыми

водами, а также со стоками содовых, коксохимических, азотнотуко­вых и других заводов.

Белки под действием микроорганизмов подвергаются распаду, ко­нечным продуктом которого является аммиак. Поэтому наличие его вызывает подозрение о загрязнении воды сточными водами.

Иногда в воде встречаются ионы NH4+ неорганического происхож­дения, образующиеся в результате восстановления нитратов и нитри­тов гуминовыми веществами, сероводородом, оксидом железа (II) и т. д.

В природной воде ионы NH4+ под действием бактерий Nitrosomonas

и Nitrobacter постепенно превращаются в ионы NO2- и NO3-:



Первая стадия биохимического окисления протекает значительно быстрее второй. Весь процесс окисления сильно замедляется при по­нижении температуры, а при О °С почти прекращается.

По наличию и количеству тех или иных соединений, содержащих азот, судят о времени загрязнения воды. Повышенное содержание аммонийного и нитритного азота указывает на свежее загрязнение воды азотсодержащими органическими веществами. Отсутствие аммо­нийного и нитритного азота и наличие нитратного свидетельствует о давности загрязнения.

В чистых поверхностных и подземных водах аммонийного азота содержится 0,01—0,1 мг/л, нитритного — до 0,005 мг/л и 0,01— 0,5 мг/л азота нитратного. Повышенное содержание нитратов (>40 мг/л) в воде, постоянно используемой для питья, приводит к на­рушению окислительной функции крови.

Определение в воде веществ, содержащих азот, производится коло­риметрически.

Сухой остаток и потеря при прокаливании. Количество солей, со­держащихся в природных водах, можно охарактеризовать величиной сухого остатка и потерей при прокаливании.

Сухой остаток, образующийся при выпаривании определенного объема воды, предварительно профильтрованной через бумажный фильтр, состоит из минеральных солей и нелетучих органических сое­динений. Органическая часть сухого остатка воды определяется по ве­личине потери при прокаливании.

Определение потери при прокаливании может использоваться для контроля содержания органических веществ. Однако для воды с повы­шенным солесодержанием полученные данные обычно выше истин­ного содержания органических веществ в результате частичного распада и улетучивания при прокаливании минеральных солей — сое­динений, содержащих азот, карбонаты, хлориды, а также кристалли­зационную воду.

Хлориды. Вследствие большой растворимости хлоридов (NaCl — 360 г/л, MgCl2 — 545 г/л) ионы С1- присутствуют почти во всех водах. Большое количество хлоридов в воде может быть вызвано вымывани­ем поваренной соли или других соединений, содержащих хлор, из со-

прикасающихся с водой пластов, а также сбросом в воду производст­венных и бытовых сточных вод. В последнем случае наряду с повышенным содержанием ионов С1- в воде наблюдается присутствие аммиака, нитритов, повышенная биохимическая потребность в кисло­роде и окисляемость, а также неудовлетворительные бактериологиче­ские показатели, свидетельствующие о загрязнении. В проточных во­доемах количество хлоридов невелико — 20—30 мг/л.

Вода, содержащая хлориды в больших количествах, при соприкос­новении с бетоном разрушает его в результате выщелачивания раст­воримого хлорида кальция и гидроксида магния, образующихся при взаимодействии хлоридов с известью.

Сульфаты. Ионы SO42- часто встречаются в природных водах. По­падают они в воду главным образом при растворении осадочных пород, в состав которых входит гипс. Иногда ионы SO42-образуются в воде в результате окисления сульфидов и самородной серы, а также в резуль­тате загрязнения воды производственными и бытовыми сточными во­дами.

При отсутствии кислорода ионы SO42- под действием сульфатре-дуцирующих бактерий восстанавливаются до H2S. Воды, содержащие большое количество сульфатов, оказывают разрушающее действие на бетонные конструкции. Это объясняется образованием гипса в резуль­тате реакции между известью цемента и сульфатами воды, что при­водит к увеличению объема и возникновению в бетоне трещин.

Воды, содержащие больше 500 мг/л сульфатов или 350 мг/л хло­ридов, имеют солоноватый привкус и приводят к нарушению деятель­ности пищевого канала у людей.

Щелочность воды. Под общей щелочностью воды подразумевается сумма содержащихся в ней гидратов и солей слабых кислот (угольной, фосфорной, кремниевой, гуминовой и т. д.). В соответствии с этим раз­личают щелочность гидратную, гидрокарбонатную, карбонатную, гу-миновую и т. п.

Поскольку в большинстве природных вод преобладают соединения угольной кислоты, учитывают обычно лишь гидрокарбонатную и кар­бонатную щелочность. При некоторых приемах обработки воды (на­пример, при известковом или известково-содовом умягчении) и при рН воды выше 8,5 возникает гидратная щелочность.

Щелочные металлы. Из ионов щелочных металлов в воде наиболее распространены ионы Na+ и К.+, попадающие в воду в результате раст­ворения коренных пород. Важным источником ионов Na+ в природных водах являются залежи поваренной соли. Ионы Na+ в природных во­дах встречаются в больших количествах, чем ионы К+, так как ионы К+ лучше поглощаются почвой и больше извлекаются из воды расте­ниями.

Жесткость воды. Жесткость природных вод обусловливается при­сутствием в них ионов Са2+ и Mg2+.

Ионы Са2+ поступают в воду при растворении известняков под действием содержащейся в воде угольной кислоты:





Наличие в воде больших количеств солей, обусловливающих жесткость, нежелательно, так как такая вода становится непригод­ной для хозяйственно-бытовых и многих производственных нужд.

При использовании жесткой воды плохо развариваются овощи и мясо, портится вид, вкус и качество чая, перерасходуется мыло при стирке, кроме того, ткани ста­новятся менее эластичными, увеличивается хрупкость волокна. Применение жесткой воды для питания паровых котлов приводит к резкому ухудшению их работы и к авариям. Мягкая вода требуется для целого ряда других производств (при изго­товлении искусственного и синтетического волокна, пластмасс, кинопленки, некото­рых сортов бумаги и т, д.).

Различают карбонатную, некарбонатную и общую жесткость.

Карбонатная жесткость, представляющая собой часть общей жес­ткости, вызывается присутствием в воде гидрокарбонатов кальция или магния. Эта жесткость почти полностью удаляется при кипячении воды, так как присутствующие в ней гидрокарбонаты подвергаются распаду с образованием угольной кислоты, СаСО3 и Mg(OH)2, выпа­дающих в осадок.

Некарбонатная жесткость обусловливается сульфатами, хлорида­ми и нитратами кальция и магния.

Общая жесткость представляет собой сумму карбонатной и не­карбонатной жесткостей.

Жесткость воды выражают в миллиграмм-эквивалентах на литр; 1 мг-экв/л жесткости соответствует 20,04 мг/л ионов Са2+ или 12,16 мг/л ионов Mg2+.

Железо и марганец. Железо в природных водах может находить­ся в истинно растворенном состоянии, в виде коллоидов (неоргани­ческих— Fe(OH)3, Fe(OH)2, FeS — и органических), в виде комп­лексных соединений (главным образом, органических) и в виде тон­кодисперсной взвеси Fe(OH)3, Fe(OH)2, FeS.

В подземных водах при отсутствии растворенного кислорода же­лезо обычно находится в виде двухвалентных солей; как правило, это гидрокарбонат железа Fe(HCO3)2- Соединения двухвалентного железа в природных водах неустойчивы, так как железо легко окис­ляется и выпадает в осадок в виде гидроксида. Максимальная ско­рость окисления наблюдается при рН>7.

Образующийся в результате процесса гидролиза и окисления двухвалентного железа гидроксид железа малорастворим, однако благодаря защитному действию гумусовых веществ он может при­сутствовать в природных водах в коллоидном состоянии.

В поверхностных водах железо находится в виде органических комплексных соединений или в виде коллоидов и тонкодисперсных взвесей. Примером органического соединения железа является до­статочно устойчивый гумат железа, нередко содержащийся в реках с болотным питанием. При одновременном содержании железа и се-

роводорода вода оказывается загрязненной тонкодисперсной взвесью сульфида железа, окрашивающего воду в черный цвет.

Содержание железа в воде выражают в миллиграммах на литр Fe3+ или Fe2O3.

Марганец в природных водах встречается, как правило, в мень­ших концентрациях и реже, чем железо. В подземных водах он час­то сопутствует железу. Так, встречается гидрокарбонат марганца (II)Мn(НСОз)2, а в водах глубоких скважин — сульфат марганца. В поверхностных водах марганец, как и железо, может содержаться в виде органических соединений, в том числе и коллоидных.

Обычно содержание железа и марганца в воде не превышает не­скольких миллиграммов на литр. Являясь даже в более высоких кон­центрациях безвредными для здоровья, они своим присутствием делают воду непригодной для питьевых, промышленных и хозяйствен­ных целей, так как при концентрации железа выше 1 мг/л вода при­обретает неприятный чернильный или железистый привкус. В резуль­тате окисления гидрокарбоната железа (II) кислородом воздуха и последующего гидролиза гидрокарбоната железа (III) образуется гидроксид железа, вызывающий мутность и повышение цветности воды.

Наличие в воде железа и марганца может привести к развитию в трубопроводах железистых и марганцевых бактерий, использующих в процессе жизнедеятельности энергию, выделяемую при окислении соединений с низшей валентностью в соединения с высшей валент­ностью. Продукты жизнедеятельности бактерий накапливаются в таких количествах, что могут уменьшить сечение, а иногда полностью закупорить водопроводные трубы. В стандартах всех стран содержа­ние железа в питьевой воде регламентируется в пределах 0,1 — 0,3 мг/л. В воде ряда производств (изготовление фото- и кинопленки, производство искусственного волокна, шелкоткацкие и шелкокра-сильные фабрики, крахмальное производство) не должно быть даже следов железа; в воде, используемой пивоваренным производством, для дубления кожи, охлаждения компрессоров и двигателей внут­реннего сгорания, при производстве бумаги, концентрация железа не должна превышать 0,1—0,2 мг/л.

Соединения кремния. Кремний присутствует в природных водах в виде минеральных и органических соединений. Выщелачивание из силикатных пород обогащает природные воды кремниевой кислотой и ее солями.

Кремниевая кислота имеет две ступени диссоциации:



*уН2О. Наибольшее количество кремниевой кислоты встречается в подземных водах. В воде поверхностных источников ее содержится меньше — от десятых долей до нескольких десятков миллиграммов в литре. Объясняется это тем, что соли кремния являются питательны­ми веществами для ряда водных организмов.

Присутствие соединений кремния в питьевой воде не ухудшает ее органолептических показателей и безвредно для здоровья.

Однако в воде, идущей для питания паровых котлов высокого дав­ления, содержание даже незначительного количества кремниевой кис­лоты недопустимо из-за возможности образования плотной силикат­ной накипи. Кроме того, кремниевая кислота оказывает неблагопри­ятное действие при производстве капролактама, вискозы, при промывке тканей на отделочных фабриках.

Соединения фосфора. Фосфор встречается в воде в виде ионов ортофосфорной кислоты или органического комплекса, а также в ви­де взвешенных частичек органического и минерального происхожде­ния. Соединения фосфора присутствуют в природных водах в нич­тожных количествах, однако они имеют огромное значение для раз­вития растительной жизни в водоемах.

Растворенные в воде газы. Из растворенных в воде газов наиболее важными при оценке ее качества являются углекислый газ, кислород, сероводород, азот и метан. Растворенный в воде углекислый газ (угольная кислота), кислород и сероводород при определенных ус­ловиях придают воде коррозионные свойства по отношению к бето­ну и металлам.

Угольная кислота встречается в больших или меньших количест­вах во всех природных водах. Подземные воды обогащаются ею в результате разложения органических соединений в воде и почвах, а также протекающих в глубинах земли геохимических процессов. Уменьшение содержания угольной кислоты в природных водах про­исходит при удалении СО2 в атмосферу, растворении карбонатных пород с образованием гидрокарбонатов или в результате фотосин­теза.



70 мг/л. Содержание ионов СО32- в воде обычно невелико и определя­ется растворимостью карбоната кальция.

Находящиеся в воде ионы НСО3-, СО3- и углекислый газ связаны так называемым углекислотным равновесием:







только при наличии свободной угольной кислоты.

Часть свободной угольной кислоты, находящаяся в равновесии с гидрокарбонатами, называется равновесной. Она как бы связана с гидрокарбонатами и поэтому не вступает в химические реакции с карбонатами кальция. Избыточная свободная (иначе, агрессивная) угольная кислота, в отличие от равновесной, является очень активной. Присутствие ее в воде служит причиной коррозионной активности (агрессивности) таких вод.

В водах открытых водоемов присутствие агрессивной угольной кислоты мало вероятно вследствие низкого содержания ее в возду­хе. В подземных водах содержание угольной кислоты иногда бывает довольно значительным.

Зависимость между свободной угольной кислотой и гидрокарбо-



нат-ионами в воде выражается кривой (рис. Ш.2)6. Точки, лежащие на кривой МВК, характеризуют количество свободной уголь­ной кислоты, находящейся в равновесии с гид­рокарбонат-ионами. Точки выше этой равно­весной кривой соответствуют агрессивным водам, точки ниже кривой — водам, пересы­щенным карбонатом кальция.

Па основании приведенного графика определение количества агрессивной угольной кислоты производят следующим образом. Допустим, что в растворе имеется 180 мг/л угольной кислоты, из них 80 мг/л составляет связанная угольная кислота, 100 мг/л — свободная (на рис. III.2 точка 4). Из графика следует, что 80 мг/л свя­занной угольной кислоты находится в равновесии с 11,5 мг/л свободной (FD). Но так как содержание сво-

бодной угольной кислоты в данной воде составляет 100 мг/л, то система имеет из­быток свободной СО2. Однако не весь избыток угольной кислоты (100—11,5= = 88,5 мг/л) является агрессивным. Часть его действительно пойдет на растворение карбоната кальция, другая же — составит равновесие с вновь образованным гидрокарбонатом кальция. Установившемуся равновесию на кривой отвечает точка, в которой количество связанной и равновесной угольной кислоты долж­но, очевидно, равняться 180 мг/л. Такую точку легко определить графически, прове­дя из точки А прямую под углом 45° к оси абсцисс до пересечения с кривой. В ра­венстве AD+DO=BE+EO нетрудно убедиться. При установившемся равновесии количество равновесной угольной кислоты соответствует отрезку BE. Количество аг­рессивной угольной кислоты находим, проводя из точки В прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с AD. Таким образом, отрезок CD соответствует равно­весной угольной кислоте, АС — агрессивной.

При увеличении в воде концентрации гидрокарбонатов кальция количество равновесной угольной кислоты значительно повышается. Поэтому вероятность наличия агрессивной угольной кислоты больше для мягких, чем для жестких вод.

При оценке степени агрессивности воды наряду с концентрацией агрессивной угольной кислоты следует также учитывать солевой сос­тав воды, так как углекислотное равновесие зависит, как уже отмеча­лось, и от общего ее солесодержания. При увеличении содержания солей в воде количество свободной угольной кислоты, необходимое для поддержания углекислотного равновесия, уменьшается. Таким образом, при одном и том же содержании свободной угольной кис­лоты вода при наличии большого количества солей будет более аг­рессивной. Смещение углекислотного равновесия часто наблюдает­ся при смешении двух или нескольких вод, в результате чего смеше­ние неагрессивных вод может привести к появлению агрессивности. Воды состава М и N (рис. III.2) неагрессивны, смеси же их, состав которых определяется прямой MN,— агрессивны.

Значительное нарушение углекислотного равновесия воды проис­ходит при очистке природных вод коагулированием, так как введе­ние каждого миллиграмма безводного сульфата алюминия или хло­рида железа сопровождается выделением 0,8 мг свободной угольной кислоты.

Агрессивные свойства угольной кислоты объясняются ее способ­ностью взаимодействовать с карбонатными породами и переводить их в растворимые в воде гидрокарбонаты, а также некоторым сни­жением рН среды, в результате чего усиливается электрохимичес­кая коррозия металлов, например железа.

Действие агрессивной угольной кислоты на бетон сводится к растворению карбонатов кальция, образующихся при затвердевании цемента:



что угольная кислота не является коррозионным агентом, непосред­ственно действующим на металл. Действие ее заключается в раст­ворении карбонатов, являющихся составной частью отложений, обра­зующихся в водопроводной сети. В результате этого процесса идет дальнейшая электрохимическая коррозия материала труб с образо­ванием новых отложений. Коррозионные отложения в водопровод­ных трубах поглощают вследствие значительной адсорбционной спо­собности остаточный хлор, снижая этим эффект обеззараживания.

Наличие в трубопроводах в результате разрушения материала труб соединений железа (II) способствует развитию железобактерий, жизнедеятельность которых связана с процессом окисления железа.

Присутствие в воде агрессивной угольной кислоты может также ухудшить работу очистных сооружений. В этом случае наблюдаются зарастание отстойников сине-зелеными водорослями и появление в загрузке фильтров пузырьков газа.

Содержание в воде кислорода. Содержание кислорода в природ­ных водах определяется интенсивностью ряда противоположно на­правленных процессов. Обогащение воды кислородом происходит при растворении его из воздуха в соответствии с парциальным давлением и температурой воды, а также в результате выделения кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза, происходящего в теплое время года, особенно в солнечные дни.

К факторам, понижающим содержание кислорода в воде, отно­сятся процессы окисления, гниение органических остатков, дыхание организмов. В зависимости от интенсивности процессов, обогащаю­щих или обедняющих воду кислородом, содержание растворенного кислорода в природных водах колеблется в пределах 0—14 мг/л. По санитарным и рыбохозяйственным нормам содержание растворенно­го кислорода не должно быть менее 4 мг/л в любой период года. Рез­кое уменьшение концентрации кислорода по сравнению с нормаль­ным содержанием свидетельствует о загрязнении воды. Только в под­земных водах и глубинных слоях водоемов концентрация кислорода обычно практически равна нулю.

Определение концентрации растворенного кислорода имеет боль­шое значение при изучении процессов самоочищения и биологичес­кой жизни водоема. Если содержание кислорода падает ниже 50 % от его максимальной растворимости при данной температуре, то са­моочищение водоема значительно замедляется. При содержании кис­лорода менее 1,0—1,5 мг/л гибнут рыбы, населяющие водоем.

Присутствие в воде кислорода интенсифицирует процессы корро­зии металлических труб. Однако при больших концентрациях кисло­рода возможно обратное явление, а именно: прекращение коррозии в результате образования оксидных пленок.

В водах, предназначенных для теплоэнергетических систем, коли­чество растворенного кислорода лимитируется.

Содержание в воде сероводорода. Наиболее часто сероводород встречается в подземных водах. Это сероводород неорганического происхождения, образующийся в результате восстановления и раз­ложения некоторых минеральных солей (гипса, серного колчедана и др.)-

В поверхностных водах сероводород появляется при гниении ор­ганических остатков и в результате сброса в водоемы сточных вод, что свидетельствует о неблагополучном санитарном состоянии водо­ема. Однако присутствие в поверхностных источниках больших ко­личеств сероводорода маловероятно из-за его легкой окисляемости; большие количества его иногда наблюдаются в придонных слоях.

В воде кроме молекулярно растворенного сероводорода H2S со­держатся ионы HS- и S2-.

Употребление для питья воды, содержащей сероводород органи­ческого или неорганического происхождения, невозможно из-за не­приятного запаха, который ощущается уже при содержании серово­дорода 0,5 мг/л. В связи с ухудшением органолептических показате­лей качества воды, развитием серобактерий и интенсификацией процессов коррозии сероводород следует полностью удалять из воды, идущей для хозяйственно-питьевого или промышленного водоснаб­жения.

Содержание в воде азота. Содержание азота в природных водах объясняется растворением его из воздуха, восстановлением соедине­ний азота денитрифицирующими бактериями, а также разложением различных органических остатков. Азот меньше растворяется в во­де, чем кислород. Тем не менее азота в природных водах больше, чем кислорода, что объясняется его высоким парциальным давлением в воздухе.

Содержание метана в воде. Метан образуется в воде иногда в зна­чительных количествах при разложении микроорганизмами клетчат­ки различных растительных остатков. Количество метана в природ­ной воде может достигать 30 мг/л.

Соединения иода и фтора. Недостаток этих соединений в питьевой воде ведет к тяжелым заболеваниям.

Концентрация фтора в питьевой воде, превышающая 1,5 мг/л, вы­зывает у людей специфическое поражение зубов, получившее назва­ние «пятнистой эмали». У людей, пользующихся водой с концентра­цией фтора, превышающей 3—5 мг/л, кроме пятнистости эмали зубов обнаруживаются тонкие изменения в костях скелета, у детей чаще наблюдаются малокровие и рахит, есть данные о неблагоприятном влиянии повышенных концентраций фтора на функциональное состо­яние сердечно-сосудистой системы, нервной и некоторых ферментных систем, а также на общее физическое состояние. При использовании для питья воды с низким содержанием фтора (<0,5 мг/л) в совокуп­ности с другими факторами (нерациональное питание, неблагоприят­ные условия труда и быта) увеличивается распространенность карие­са зубов. Считают, что оптимальная концентрация фтора в воде со­ставляет 0,7—1,2 мг/л, предельно допустимая концентрация по гигие­ническим нормам — 1,5 мг/л. Суточный рацион соединений иода 0,003 мг.

Токсические вещества. Токсические вещества попадают в воду главным образом с производственными сточными водами, поступаю­щими самостоятельно или вместе с хозяйственно-бытовыми сточными водами, а также при умышленном отравлении водоема. К этой груп­пе веществ относятся: свинец, цинк, медь, мышьяк, анилин, цианиды

и многие другие, а также органические вещества, называемые отрав­ляющими (ОВ). Содержание свинца, меди, цинка, мышьяка в питье­вой воде регламентируется ГОСТ 2874—73. Определение содержания этих металлов проводится, как правило, в тех случаях, когда предпо­лагается наличие их в источнике водоснабжения.

Мышьяк в очень небольших концентрациях может перейти в воду из почв, содержащих его соли. В значительных количествах он был обнаружен в некоторых минеральных водах. В открытые водоемы мышьяк попадает со сточными водами населенных пунктов и про­мышленных предприятий (от дубильных цехов кожевенных заводов, красильных, ситцепечатных, металлообрабатывающих фабрик и за­водов и т. д.).

Известны ОВ самого различного действия. При попадании в во­ду они ведут себя в основном как общеядовитые. О зараженности во­ды ОВ могут свидетельствовать некоторые внешние признаки и дан­ные обычных методов контроля, так как наличие ОВ вызывает изменение многих показателей воды (изменение рН, окисляемости, хлоропоглощаемости, содержание хлоридов и растворенного кислоро­да) , а также данные биологического и бактериологического исследова­ний. Поэтому все эти показатели в условиях возможного отравления воды ОВ следует определять и фиксировать систематически.

Радиоактивные вещества. Радиоактивные вещества, попадающие в поверхностные и подземные воды, могут быть природного и искус­ственного происхождения. Наличие в воде природных радиоактивных веществ обусловлено соприкосновением ее с минералами, содержа­щими радиоактивные изотопы; в связи с возрастающим использова­нием атомной энергии в мирных целях все чаще в природные воды попадают со стоками радиоизотопы искусственного происхождения.

Основными изотопами, определяющими естественную радиоактив­ность пресных вод, являются уран 239U, торий 232Th и их продукты (аргон, радий и др.), а также калий 40К.

Радиоактивность большинства пресных вод обусловлена в основ­ном изотопом 40К. В связи с этим о степени радиоактивности этих вод обычно судят по гидрохимическому показателю, характеризующему суммарную концентрацию в воде ионов Na+ и К+. Существенное зна-



чение при этом имеет степень минерализации воды. Примерная ра­диоактивность некото­рых рек земного шара в сопоставлении со сте­пенью минерализации и концентрацией ионов Na+ и К+ приводится в табл. III.2.

Допустимым преде­лом радиоактивности воды открытых водое­мов при любых смесях радиоактивных веществ

с неидентифицированным изотопным и процентным составом счита­ется 1,П Бк/л7. Установлены предельно допустимые концентрации и для отдельных изотопов: для радия-226—1,85 Бк/л, для тория естест­венного — 0,74 Бк/л, для урана естественного — 0,05 мг/л и т. д.

§ 4. АНАЛИЗ ВОДЫ, ЕГО ЗНАЧЕНИЕ И СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

Сопоставление показателей качества воды источника и требова­ний, предъявляемых потребителем к используемой воде, определяет выбор надлежащей схемы обработки воды. Поэтому анализ воды ис­точника, т. е. определение состава, концентрации и свойств содержа­щихся в воде компонентов, является первоочередной и чрезвычайно ответственной задачей.

Как уже сообщалось, различают химический, бактериологический и технологический анализы, соответствующие определяемым свойст­вам воды. В случае необходимости производят гидробиологические и радиологические исследования.

В зависимости от количества определяемых компонентов и точнос­ти их определения химический анализ бывает трех типов: полный, сокращенный и полевой.

Полный анализ применяется для подробной характеристики воды источника централизованного водоснабжения и вновь пускаемых в эксплуатацию артезианских скважин; он производится наиболее точ­ными методами в стационарных лабораториях. Полным анализом оп-



тионов и анионов. По схеме полного анализа проводятся также бак­териологические исследования.

Исходя из местных условий, лаборатории водопроводных станций могут дополнительно определять и другие компоненты: соли тяже­лых металлов, марганец, фосфаты, радиоактивные вещества и т. п.

Сокращенный анализ отличается от полного отсутствием анализа на ионы Na4" и К+; определение фтора производится при наличии эндемических заболеваний, ак­тивного хлора — только в хлорированной воде.

Полевой анализ применяется при массовых определениях для предварительной характеристики водоисточника и производится в полевых условиях, в ряде случаев упрощенными методами. В нем отсутствуют определения ионов Na+, K+, а также H2Si03, окисляемости и сухого остатка. Введены определения общей жесткости и О2.

Результаты химических анализов воды выражаются:

  1. В весовых количествах растворенных веществ в 1 л воды, мг/л
    (для сильно минерализованных вод — в г/л);

  2. В эквивалентных количествах растворенных веществ в 1 л во-­
    ды, мг-экв/л;









В виде углекислого газа и паров воды теряется, таким образом, половина весо­вого количества гидрокарбонат-иона. Поэтому в формулу для контроля по сухому

остатку подставляется лишь половина содержания иона НСОз- . Так как природная вода содержит растворенные органические вещества, переходящие в сухой остаток и не учитываемые химическим анализом, то экспериментально определенный сухой остаток всегда несколько больше вычисленного. В водах с небольшой окисляемое -тью это превышение, как правило, незначительно.

Существует еще целый ряд способов частичного контроля анализа воды по ре­зультатам отдельных определений, которые излагаются в специальной литературе (например, А. А. Резников и др. Методы анализа природных вод. — М.:Госгеол-техиздат, 1963.— с. 38—41).

Одних данных химического анализа воды для проектирования во­доочистных сооружений, как правило, недостаточно, так как этот анализ не дает представления о том, как будут вести себя те или иные компоненты воды в процессе обработки. Эту задачу выполняет технологический анализ воды, который предусматривает определе­ние коагулируемости и обесцвечиваемости воды, осаждаемости взве­си, фильтруемости, обезжелезиваемости, умягчаемости, стабильности воды, показателя хлорируемости и т. д.

Технологический анализ имеет огромное значение, что видно из следующих примеров:

  1. по содержанию железа, определяемого химическим анализом,
    невозможно установить форму, в которой оно находится в воде, а сле­
    довательно, нельзя выбрать наиболее рациональный способ его уда­
    ления. Это достигается технологическим анализом;

  2. проведение пробного коагулирования, умягчения, хлорирова­
    ния и т. д. дает возможность выбрать оптимальные в технологичес­
    ком отношении и экономически выгодные дозы реагентов для обра­
    ботки воды;

  3. содержание взвешенных веществ в воде не дает представления
    о крупности частичек и о скорости их осаждения. Технологический
    анализ определяет крупность частичек, процентное содержание от­
    дельных фракций, давая тем самым возможность правильно запроек­
    тировать отстойные сооружения.

Технологические свойства воды определяются по специальным ме-

тодикам, излагаемых в целом ряде руководств.

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


Глава ІІІ .2 . КРАТКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации