Характеристика химических показателей качества воды

Химический анализ природной воды имеет решающее значение в практике водоснабжения. Результаты анализа позволяют установить пригодность источника для питьевого и технического водоснабжения, наличие в воде вредных для организма загрязнений или соединений, способствующих ее коррозийной активности, вспениванию, образованию накипи и т.д.

На основании сопоставления результатов анализа природной воды с требованиями, предъявляемыми к ней потребителем, можно судить о том, каким процессам очистки следует подвергнуть эту воду для улучшения тех или иных показателей ее качества.

К химическим определениям относятся установление активной реакции воды, окисляемости, азотосодержащих веществ, растворенных в воде газов, плотного остатка и потерь при прокаливании, жесткости и щелочности, а также хлоридов, сульфатов, железа, марганца и других элементов.

Активная реакция воды,т.е. степень ее кислотности или щелочности, определяется концентрацией водородных ионов, точнее, их активностью. Как известно, вода в незначительной степени диссоциирует на ионы водорода и гидроксида.

В связи с тем, что степень диссоциации молекул воды незначительна, воду можно рассматривать как чистое вещество, для которого при стандартных температуре и давлении активность равна единице.

В отличии от чистой воды или нейтральных растворов солей, в которых концентрации водорода и гидроксида настолько малы, что ими можно пользоваться вместо активностей, в кислых и щелочных растворах концентрации этих ионов могут отличатся на несколько порядков по величине. В таком случае вместо концентрации необходимо пользоваться активностью.

Обычно для большинства природных вод величина pH изменяется в приделах 6,5-8,5. На величину pH воды влияют повышенная концентрация гумусовых кислот, загрязнение водоема сточными водами промышленных предприятий и т.п.

Постоянство величины pH, которое имеет большое значение для нормального протекания в воде различных биологических и физико-химических процессов, обеспечивается в природных водах буферной системой, состоящей из растворенной в воде угольной кислоты и ионов HCO3 -.

Прибавление некоторых количеств кислоты или щелочи мало влияет на pH воды, так как при прибавлении к воде щелочи часть ионов водорода, которые образовались при диссоциации угольной кислоты, связывается в малодиссациированную воду. Это приводит к диссоциации новых количеств кислоты и восстановлению первоначальной концентрации водорода.

В процессах обработки воды, связанных с подкислением или подщелачиванием, pH, как правило, меняется мало. Согласно ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая», pH хозяйственно-питьевой воды должно находиться в пределах 6-9.

Окисляемость воды. Наличие в природных водах органических и некоторых легкоокисляющихся неорганических примесей (сероводорода, сульфитов, железа(2) и др.) обуславливает определенную величину окисляемости воды. В связи с тем, что окисляемость поверхностных вод объясняется главным образом наличием органических веществ, установление окисляемости, т.е. количества кислорода, необходимого для окисления примесей в данном объекте воды, является одним из косвенных методов определения органических веществ в воде.

Окисляемость грунтовых вод зависит от глубины их залегания. Окисляемость чистых озерных вод в среднем составляет 5-8 мг/л кислорода; в речной воде она колеблется в широких приделах, доходя до 60 мг/л и более.

Наиболее полное окисление (90-95%) содержащихся в природных водах органических веществ достигается при замене перманганата дихроматом (дихроматная окисляемость). Высокая степень окисления, достигаемая при этом методе, позволяет применять его для количественного определения органических веществ в воде.

Дополнительные сведения о характере содержащихся в воде органических соединений можно получить, сравнивая отношение цветности и окисляемости. Повышенное значение этого отношения свидетельствует о преобладание в воде устойчивых гумусовых веществ болотного происхождения, пониженное – о гумусовых веществах планктонного происхождения. Средние значения характерны для почвенных гумусовых веществ.

Таким образом, определение окисляемости является не только способом установления концентрации органических веществ, но в сочетании с другими показателями, например цветностью, может служить и методом определения их происхождения.

В поверхностных водах содержится главным образом нитраты (количество их невелико, 0,001-0,003 мг/л). В артезианских водах содержание нитритов может достигать десятых долей миллиграмма в литре.

По наличию тех или иных азотосодержащих соединений судят о времени загрязнения воды сточными водами. Так, наличие в воде NH4 и отсутствие нитритов указывает на недавнее загрязнения воды. Одновременное присутствие их свидетельствует о том, что с момента первичного загрязнения прошел уже какой-то промежуток времени. Отсутствие NH4 при наличии нитритов и особенно нитратов говорит о том, что загрязнение произошло уже давно и вода за это время самоочистилась.

Повышенное содержание нитратов (более 50мг/л) в воде, постоянно используемой для питья, приводит к нарушению окислительной функции крови – метгемоглобинемии. Случай метгемоглобинемии наблюдались при употреблении питьевой воды, в которой концентрация нитратов составляла 60-800 мг/л.

Хлориды и сульфаты. Благодаря большой растворимости хлористых солей ионы хлора содержатся почти во всех водах. Большие количества хлоридов могут попадать в воду в результате вымывания поваренной соли или других хлористых соединений соприкасающихся с водой пластов пород, а также при попадании в воду промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод. Сульфаты и хлориды в определенных концентрациях являются причиной коррозионной активности (агрессивности) воды. Сульфатная агрессивность возникает при наличии в воде ионов сульфата в количестве 300 мг/л и более.

Щелочность воды.Под общей щелочностью воды подразумевается сумма содержащихся в воде гидроксильных ионов (OH-) и анионов слабых кислот, например угольной (ионов HCO3, CO3). Поскольку в большинстве природных вод преобладают углекислые соединения, различают обычно лишь гидрокарбонатную и карбонатную щелочность. При некоторых приемах обработки воды и при рН ее выше 8,5 возникает гидратная щелочность.

Из ионов щелочных металлов в воде наиболее распространены натрий и калий, попадающие в воду в результате растворения коренных пород. Основным источником натрия в природных водах является залежи поваренной соли. В природных водах натрия содержится больше, чем калия. Это объясняется лишь погашением последнего почвами, а также большим извлечением его из воды растениями.

Жесткость воды.Жесткость природных вод обуславливается наличием в них солей кальция и магния. Ионы кальция поступают в воду при растворении известняков под действием содержащихся в воде углекислоты и при непосредственном выщелачивании водой гипса:

CaCO3 + H2O + CO2 → Ca2 + 2HCO3 (51)

Основным источником ионов магния служат доломиты, также растворяющиеся водой в присутствии углекислоты:

CaCO3*MgCO3+2CO2 +2H2O → Ca + Mg + 4HCO3 (52)

Хотя указанные соли и не являются особо вредными для организма, наличие их в воде в больших количествах нежелательно, так как вода становится непригодной для хозяйственно питьевых нужд и промышленного водоснабжения. В жесткой воде плохо развариваются овощи, перерасходуется мыло при стирке белья. Жесткая вода непригодна для питания паровых котлов, ее нельзя использовать во многих отраслях промышленности.

Общая жесткость воды представляет собой сумму карбонатной (постоянной) жесткости.

Карбонатная жесткость, связанная с присутствием в воде в основном гидрокарбонатов кальция или магния, почти полностью удаляется при кипячении воды.

Некарбонатная жесткость обуславливается присутствием кальциевых и магниевых солей серной, соляной и азотной кислот и кипячением не устраняется.

Жесткость воды представляет сумму эквивалентных концентраций ионов кальция и магния и выражается в миллиграмм-эквивалентах на 1 литр; 1 мг-экв/л жесткости отвечает 20,04 мг/л ионов кальция или 12,16 мг/л ионов магния. В зарубежных странах жесткость измеряется различными единицами.

Железо и марганец. Обычно содержание железа и марганца не превышает нескольких десятков миллиграммов в 1 л воды. Хотя вода, содержащая и более высокие количества этих ионов, совершенно безвредна для здоровья, все же для питьевых, промышленных и хозяйственных целей она не пригодна, так как имеет неприятный чернильный или железистый привкус.

Соединения кремния. Кремний присутствует в природных водах в виде минеральных и органических соединений. Выщелачивание силикатных пород обогащает природные воды кремниевой кислотой и солями. Кремниевая кислота очень слабая и диссоциирует на ионы в незначительной степени.

Наличие соединений кремния в питьевой воде не вредно для здоровья. Если же вода используется для питания паровых котлов высокого давления, содержание самого незначительного количества кремниевой кислоты недоступно из-за образования плотной силикатной накипи.

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

Растворенные в воде газы. Из растворенных в воде газов наиболее важными для оценки ее качества является углекислота, кислород, сероводород, азот и метан. Углекислота, кислород и сероводород при определенных условиях по отношению к бетону и металлам.

Содержание углекислоты в природных водах колеблется от нескольких долей до нескольких сотен миллиграммов в 1 л. Наибольшее количество ее находится в подземных водах. В воде поверхностных источников содержание СО2 не превышает 20-30 мг/л.

Действие углекислоты на бетон сводится к растворению извести цемента, что значительно ослабляет прочность бетона.

Углекислота не является коррозионным агентом, непосредственно воздействующем на металл. Действие ее заключается в равновесии карбонатов составных частей ржавокарбонатных отложений, которые образуются в водопроводной сети. В результате этого процесса происходит дальнейшая коррозия материала труб и образование новых отложений; вода желтую или красноватую окраску, неприятный вкус и содержит мелкие комья рыхлых железных веществ.

Кислород может находится в природных водах в различных концентрациях (0-14,6 мг/л), что определяется интенсивностью противоположено направленных процессов, влияющих на содержание кислорода в воде. Окисление некоторых примесей воды, гниение органических остатков, брожение, дыхание организмов понижают содержание кислорода в воде по сравнению с нормальным свидетельствует о ее загрязнении.

Кислород интенсифицирует процессы коррозии металлов, поэтому в водах, которые используются для теплоэнергетических систем, количество растворимого кислорода лимитируется.

Микроэлементы. На ряду с органическими и минеральными примесями и загрязнениями, которые находятся в природных водах в относительно в больших количествах, в последних содержится ряд химических элементов в самых ничтожных дозах (бром, фтор, селен, теллур и др.). В отличии от других примесей природных вод эти элементы почти не контролируются, хотя в настоящее время установлено, что они оказывают большее влияние на здоровье человека.

Для нормальной жизнедеятельности человеческого организма содержание перечисленных элементов в воде должно находиться в строго определенных пределах. При нарушении этих приделов могут возникать массовые заболевания, называемые геохимическими эндемиями. Например, установлена суточная потребность человека в йоде и фторе. Человек ежесуточно должен потреблять 0,06-0,10 мг йода. Отсутствие или недостаток его в питьевой воде и пище нарушает нормальную деятельность щитовидной железы и приводит к тяжелому заболеванию – эндемическому зобу.

Содержание фтора в питьевой воде должно находиться в приделах 0,7-1,5 мг/л. Недостаточное или избыточное содержание его в воде одинаково вредно и вызывает разрушение зубов и изменение в костях скелета.

Радиоактивные элементы. К примесям природных вод относятся радиоактивные элементы. Радиоактивность в той или иной мере свойственна всем водам. Допустимым приделом радиоактивности в обычной воде считается 10-8 – 10-9 мкКи/л. Радиоактивность некоторых минеральных вод достигает 2,8*10-3 мкКи/л.

Свинец, медь и цинк попадают в воду главным образом с промышленными сточными водами. Наиболее ядовитым из этих металлов является свинец, который накапливается в организме и может вызвать опасное отравление.

Вода, подаваемая населению не должна содержать более 0,3 мг/л свинца, 1 мг/л меди и 5 мг/л цинка. Определение содержания этих металлов требуется лишь в тех случаях, когда предполагается наличие их в источнике водоснабжения.

Мышьяк в очень небольших концентрациях может поступать 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, металлообрабатывающих заводов и др.). Его содержание в питьевой воде не должно превышать 0,05 мг/л.