Качество воды

Природная вода представляет собой довольно сложную дисперсную систему, содержащую множество разнообразных органических и минеральных примесей.

 Часть примесных соединений может  быть растворено в воде (на практике вода представляет собой водный раствор различных веществ), определяя ее химический состав, а часть может находиться в нерастворенном виде (частицы более 10-3 мкм) образуя гетерогенную дисперсную систему. Все эти примеси радикальным образом сказываются на свойствах воды (физических и химических) и определяют ее качество. Под качеством здесь следует понимать пригодность воды для применения в различных областях - вода технического назначения, вода, используемая для питья и приготовления пищи, для аналитических или различных технологических операций.

Особо следует отметить, что воды в абсолютном виде получить еще никому не удавалось, поэтому вопрос состоит лишь в том, насколько чистая вода нам необходима для применения ее в тех или иных целях и концентрация каких примесей носит критическое значение.

Для удобства классификации  примесей природной воды разделим их по фазовому признаку:

• Нерастворенные - частицы размером более 10-3 мкм, называемые иногда, механическими примесями могут быть не всегда заметны невооруженным глазом.
• Растворенные - вещества не образующие в водном растворе границы раздела фаз. Размер из частиц, как правило, менее 10-3 мкм.

К нерастворенным примесям можно отнести следующие компоненты:

• Примеси размером более 0,1 мкм - планктон, водоросли, микроорганизмы, твердые включения различной природы, образующие грубодисперсные системы - суспензии (взвеси, эмульсии), определяющии мутность воды.
• Частицы размером 0,01 - 0,1 мкм - вирусы, коллоидные системы и высокомолекулярные соединения, обуславливающие цветность и окисляемость воды.

К растворенным примесям относятся:

• Молекулярно-рстворенные вещества размером 0,001-0,01 мкм - растворимые в воде газы и органические вещества придающие воде запах и привкус.
• Электролиты - вещества диссоциированные на ионы - размером менее 0,001 мкм - соли, кислоты, основания, придающие воде щелочность, кислотность, жесткость, минерализованность и определяющие ее электропроводные свойства.

Для определения качественного состава воды применяют следующие основные параметры:

• Содержание взвешенных веществ (мутность и прозрачность)
• Солесодержание (сухой остаток, общая минерализация)
• Концентрация водородных ионов (рН)
• Жесткость (общая и ее составляющие)
• Щелочность (общая и составляющие)
• Обжелезненность (общее содержание железа и его составляющие)
• Содержание органических веществ.
• Содержание коррозионно-активных газов (кислород и углекислый газ)
• Содержание сероводорода
• Микробиологические показатели

Содержание взвешенных веществ - характеризует загрязненность воды твердыми макро- и микрочастицами. Количество их в литре воды обычно отражают в мг/л.

Для определения содержания в воде взвешенных частиц производят фильтрование 1 л анализируемой воды через плотный бумажный фильтр, который затем высушивается при температуре 105-110^оС до постоянного веса.

Косвенным, но более экспрессивным способом, является определение взвешенных частиц оптическими методами - нефелометрическим, по прозрачности, мутности воды по сравнению с эталоном.

Солесодержание - представляет собой сумму концентраций растворенных минеральных солей и органических веществ, выраженное в мг/л.

Сухой остаток - определяют выпариванием 1 л предварительно профильтрованной пробы воды и высушиванием остатка при 105-110^оС до постоянного веса. В сухой остаток не входят взвешенные вещества, растворенные в воде газы и летучие вещества. Если сухой остаток прокалить при 800^оС, вес его уменьшится и получится прокаленный  остаток. Уменьшение веса получается вследствие сгорания органических веществ и разложения карбонатов.

Концентрация водородных ионов (рН) - один из важнейших показателей качества воды для  определения ее стабильности, накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. Если рассматривать воду без примесей, то физическая сущность рН может быть описана следующим образом. Вода, хотя и весьма незначительно, - приблизительно одна миллионная часть молекул - диссоциирует (распадается) на ионы водорода H⁺ и гидроксила ОН^- по уравнению:

Н₂О= H⁺ + ОН^-

Но такое же количество молекул воды одновременно снова образуется. Следовательно, состав воды при определенной температуре и в отсутствие примесей не изменяется.

КW = [H+] [ОН-] =10^-14.

Произведение концентраций этих ионов есть величина постоянная и называется ионным произведением воды - Кw. Так как распадается незначительное количество молекул воды, то концентрация ионов Н+ и ОН- малы, тем более мало их произведение. При температуре 24,8°С Кw = 10^-14. Увеличение концентрации водородных ионов вызывает соответствующее уменьшение гидроксидионов и наоборот. Для нейтральной среды [H+]=[ОН-]= 10^-7. Для оценкикислотности и щелочности средыудобно пользоваться не концентрацией водородных ионов, а водородным показателем рН. Он равен десятичному логарифму концентраций водородных ионов, взятому с обратным знаком. pH = -lg[H⁺]. Если в воде растворено какое-либо вещество,которое само источник ионов H⁺ и ОН^- (примеры:кислоты НСl, H₂SO₄, HNO₃ и др.; щелочи: NaOH,KaOH, Ca(OH)₂ и др.), то концентрации ионов H⁺ и ОН^- не будут равны, но их произведение КW будет постоянно.

Жесткость воды - является одним из наиболее важных показателей качества воды.

Общая жесткость воды - Ж_о равна сумме концентраций в ней катионов кальция и магния и выражается в системе СИ в моль/л, однако общепринятая концентрация в миллиграмм-эквивалентах на литр (мг-экв/л).

В общем случае жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция (Са²⁺), магния (Mg²⁺), стронция (Sr²⁺), бария (Ва²⁺), железа (Fe³⁺), марганца (Mn²⁺). Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов - и даже их суммы. Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния - общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Однако при значении жесткости воды более 9 ммоль/л нужно учитывать содержание в воде стронция (особенно на севере России) и других щелочноземельных металлов. По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом. В России жесткость воды выражают в ммоль/л. В жесткой воде обычное натриевое мыло превращается (в присутствии ионов кальция) в нерастворимое «кальциевое мыло», образующее бесполезные хлопья. И, пока таким способом не устранится вся кальциевая жесткость воды, образование пены не начнется. На 1 ммоль/л жесткости воды для такого умягчения воды теоретически затрачивается 305 мг мыла, практически - до 530. Но, конечно, основные неприятности - от накипеобразования. По значению общей жесткости природные воды делят на группы:

Щелочностью воды называется суммарная концентрация содержащихся в воде анионов слабых кислот и гидроксильных ионов (выражена в ммоль/л), вступающих в реакцию при лабораторных исследованиях с соляной или серной кислотами с образованием хлористых или сернокислых солей щелочных и щелочноземельных металлов. Различают следующие формы щелочности воды: бикарбонатная (гидрокарбонатная), карбонатная, гидратная, фосфатная, силикатная, гуматная - в зависимости от анионов слабых кислот, которыми обусловливается щелочность. Щелочность природных вод, рН которых обычно < 8,35, зависит от присутствия в воде бикарбонатов, карбонатов, иногда и гуматов. Щелочность других форм появляется в процессах обработки воды. Так как в природных водах почти всегда щелочность определяется бикарбонатами, то для таких вод общую щелочность принимают равной карбонатной жесткости.

Обжелезненность - содержание в воде железа Fe (общее мг/дм3) и покомпонентно (Fe²⁺ и Fe³⁺).

Железо растворено в воде в виде солей двухвалентного и трехвалентного железа.

Железо находится в воде в следующих формах:

• двухвалентное - растворенное в виде ионов Fe²⁺;
• трехвалентное (хотя хлориды и сульфаты Fe³⁺ хорошо растворимы в воде, ионы Fe³⁺ полностью гидролизуются в нерастворимый гидроксид Fe(OH)₃, который находится в виде взвеси или осадка);
• органическое железо (находится в виде различных растворимых комплексов с природными органическими кислотами (гуматов), имея, как правило, коллоидную структуру);
• бактериальное железо - продукт жизнедеятельности железобакте­рий (железо находится в их оболочке).

В подземных водах присутствует, в основном, растворенное двух­валентное железо в виде ионов Fe2+. Трехвалентное железо появляется после контакта такой воды с воздухом и в изношенных системах водо- распределения при контакте воды с поверхностью труб.

В поверхностных водах железо уже окислено до трехвалентного состояния и, кроме того, входит в состав органических комплексов и железобактерий.

Органические вещества - Спектр органических примесей очень широк:

группа растворенных примесей: гуминовые кислоты и их соли - гуматы натрия, калия, аммония; некоторые примеси промышленного происхождения; часть аминокислот и белков;

группа нерастворенных примесей: фульвокислоты (соли) и гуминовые кислоты и их соли - гуматы кальция, магния, железа; жиры различного происхождения; частицы различного происхождения, в том числе микроорганизмы.

Содержание органических веществ в воде оценивается по методикам определения окисляемости воды, содержания органического углерода, биохимической потребности в кислороде, а также поглощения в ультрафиолетовой области. Величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях, называется окисляемостью. Существует несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая (методики определения двух последних применяются редко). Окисляемость выражается в миллиграммах кислорода, эквивалентного количеству реагента, пошедшего на окисление органических веществ, содержащихся в 1 л воды.

Окислители могут действовать и на неорганические примеси, например, на ионы Fe²⁺, S^2-, NO^2- , но соотношение между этими ионами и органическими примесями в поверхностных водах существенно сдвинуто в сторону органических примесей, то есть «органики» в решающей степени больше. В подземных водах (артезианских) это соотношение - обратное, то есть органических примесей гораздо меньше, чем указанных ионов. Практически их совсем нет. К тому же неорганические примеси могут определяться непосредственно индивидуально. Если содержание указанных восстановителей суммарно меньше 0,1 ммоль/л, то ими можно пренебречь, в иных случаях нужно вносить соответствующие поправки. Для природных малозагрязненных вод рекомендовано определять перманганатную окисляемость (перманганатный индекс); в более загрязненных водах определяют, как правило, бихроматную окисляемость (ХПК).

Окисляемость перманганатная измеряется мгО₂/л, если учитывается масса иона кислорода в составе перманганата калия, пошедшего на окисление «органики», или мг KMnО4/л, если оценивается количество перманганата калия, пошедшего на окисление «органики».  Окисляемость бихроматная, мгО/л, называемая также химической потребностью в кислороде (ХПК), - показатель, дающий более правильное представление о содержании в воде органических веществ, так как при определении ХПК окисляется около 90% органических примесей, а при определении перманганатной окисляемости - 30-50%. В англоязычной литературе ХПК обозначают термином COD (Chemical Oxygen Demand), в немецкой литературе - CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf).

При анализе ХПК наиболее надежные результаты получаются при ХПК = 300-600 мгО/л. При этом анализе окисляются ионы Br^-, J^-, NO^2-, некоторые соединения серы и др.

Биохимическая потребность в кислороде (БПК5, БПКполн), мгО₂/л. Биохимическая потребность в кислороде (БПК) - показатель, определяемый при окислении «органики» природных вод не химическими веществами, а биохимическими воздействиями в аэробных условиях. Чаще определяют биохимическое потребление кислорода за пять суток - БПК5, и, как правило, этот показатель в поверхностных водах находится в пределах 0,5-4,0 мгО₂/л.

При определении БПК5 (температура воды 20°С, рН=6-8, обеспечен достаточный доступ кислорода к пробе воды) окисляется примерно 70% легкоокисляющихся органических веществ, за 10-20 сут - соответственно 90 и 99% (как правило, но не всегда). Поэтому, когда определяют БПКполн, имеют в виду, что процесс окисления длится 15-20, в редких случаях - до 35 сут.

Общий органический углерод - (ООУ, по зарубежным источникам - ТОС,Total Organic Carbon) - достаточно надежный показатель содержания в воде органических веществ, в среднем численно равный 50% массы органических веществ. В природных поверхностных водах значения органического углерода могут колебаться от 1 до 20 и даже до нескольких сотен мг/л (в болотистых водах).