МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ)
НОВОУРАЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
КАФЕДРА УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ
ЭКОЛОГИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЧИСТКИ
ВОДОПРОВОДНОЙ ВОДЫ
Методические указания
по выполнению лабораторной работы
по дисциплине «Экология»
для студентов всех специальностей и направлений
всех форм обучения
Новоуральск 2014
УДК 574 (075.8)
МиМ_________14
Исследование методов очистки водопроводной воды
Методические указания по выполнению практической работы по курсу «Экология» для студентов всех специальностей и направлений всех форм обучения. – Новоуральск: изд. НТИ НИЯУ «МИФИ», 2014. – 13с.
Составила ст. преподаватель Гацкова Ю.В.
Методические указания рассмотрены на заседании кафедры «Физического воспитания и
безопасности жизнедеятельности»
«___»________2014 г. протокол №____
Зав.кафедрой УК
к.т.н. А.В.Карякин
СОГЛАСОВАНО:
Председатель методической комиссии НТИ
д.т.н., профессор А.Е. Беляев
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
1 Цели и задачи работы 4
2 Теоретические сведения 4
2.1 Методы очистки воды при централизованной водоподготовке 4
2.2 Способы доочистки воды в бытовых условиях 5
2.3 Влияние минерального состава воды на здоровье человека 6
2.4 Контроль качества питьевой воды по санитарным нормам и правилам 6
3 Порядок выполнения работы 8
4 Контрольные вопросы 10
5 Требования к оформлению и содержанию отчета 11
Литература 11
Приложение 12
ВВЕДЕНИЕ
В лабораторной работе «Исследование методов очистки водопроводной воды» студенты знакомятся с принципами работы фильтров различных типов.
Студенты приобретают навыки работы по определению содержания примесей и расчету эффективности фильтров. В ходе выполнения работы студенты убеждаются в необходимости доочистки водопроводной воды в бытовых условиях.
Методическое пособие содержит необходимые для реализации заявленной цели сведения, в том числе и справочную информацию. Приведенные контрольные вопросы и наличие в тексте ответов позволяет студентам получить знания по данной теме и систематизировать их.
Лабораторная работа направлена на формирование у студентов экологического мировоззрения.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Целью работы является углубление знаний по теме лабораторной работы и освоение методики исследования качества питьевой воды и эффективности очистки воды при помощи фильтров различных типов.
Задачи работы:
1 Изучить теоретические сведения по теме работы.
2 Изучить принципы работы фильтров различных типов.
3 Измерить содержание солей в пробах воды.
4 Рассчитать эффективность очистки воды различными фильтрами.
5 Сделать выводы об эффективности очистки воды.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1 Методы очистки воды при централизованной водоподготовке.
Всемирная организация здравоохранения предупреждает, что 80 % заболеваний на планете вызваны потреблением некачественной питьевой воды. Проблема чистой воды стоит перед многими странами.
В России каждая пятая проба водопроводной воды не соответствует санитарно-химическим нормам, каждая восьмая – микробиологическим, а 90 % питьевой воды в стране не соответствует рекомендуемым санитарным нормам, химическим и микробиологическим стандартам. Эту воду используют 70 % городов и населенных пунктов.[1]
В настоящее время известно несколько технологических схем централизованной водоподготовки. Самая распространенная – это традиционная схема, в основе которой лежит хлорирование воды из поверхностного источника. Хлорирование позволяет добиваться эффективного обеззараживания воды. В то же время, содержащиеся в природной воде десятки органических соединений вступают в реакцию с хлором, и при этом образуются до 50 различных хлорорганических веществ, остающихся в питьевой воде. Их воздействие на организм может приводить к мутагенным изменениям, различным онкологическим заболеваниям.
Вторая схема предусматривает озонирование воды. Эта технология, хотя и устраняет образование хлорорганических соединений, имеет другие существенные недостатки. Во-первых, озонирование приводит к образованию в ней других токсичных органических соединений типа альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, фенолов и др.,
поэтому требуется применение сорбции на активированном угле, что приводит к усложнению и удорожанию водоподготовки. Во-вторых, метод озонирования технически сложен, и эксплуатация очистных сооружений требует привлечения большого количества специально обученного персонала. В третьих, при работе станции озонирования эксплуатационные расходы очень значительны из-за высокой энергоёмкости процесса синтеза озона и вспомогательного оборудования. В четвертых, озон вызывает активную коррозию оборудования и трубопроводов и требует использования нержавеющих материалов. Кроме того, обеззараживающий эффект озонирования носит кратковременный характер и не исключает последующего значительного роста бактерий в разводящих сетях.
В последние годы находит всё более широкое применение технология централизованного обеззараживания питьевой воды ультрафиолетовым облучением (УФ-облучением). Эта технология лишена вышеперечисленных недостатков. Оптимальным решением является внедрение УФ-комплексов в действующие технологические схемы подготовки питьевой воды вместо первичного хлорирования. При этом, как правило, не требуется строительства отдельных зданий и проведения значительных строительно-монтажных работ, хотя стоимость самого УФ-оборудования достаточно высока.
Следует подчеркнуть, что при использовании любого из методов обеззараживания воды гарантией предупреждения вторичного загрязнения и бактериального заражения питьевой воды может служить лишь надлежащее санитарно-техническое состояние водопроводной сети и связанного с нею оборудования. В условиях эксплуатации старых, подверженных коррозии водопроводных сетей (что характерно для Новоуральска) любые попытки улучшения качества питьевой воды за счет усовершенствования систем централизованной водоподготовки будут малоэффективными. [2]
2.2 Способы доочистки воды в бытовых условиях.
Очевидно, что перед употреблением водопроводную воду надо очищать. Для освобождения от хлора воду целесообразно отстаивать (от нескольких часов до суток). Для освобождения от микроорганизмов и хлора воду необходимо кипятить не более 1 – 3 минут. Сырую воду можно пить только в крайних случаях. Нежелательно использовать для приготовления пищи горячую водопроводную воду: горячая вода химически более агрессивна, и это может приводить к выщелачиванию из водопроводных труб тяжелых металлов, которые накапливаются в жизненно важных органах человека, вызывая со временем их заболевания.[1]
В последнее время для доочистки воды стали использоваться различные бытовые фильтры. Фильтр должен удалять микроорганизмы, хлор и его производные, тяжелые металлы, нефтепродукты, нитраты и нитриты, пестициды. Однако опасно и вторичное загрязнение воды микроорганизмами, осевшими на самом фильтре. Приблизительно 70 % европейцев предпочитают держать на кухне фильтры-кувшины. Каждая вторая американская семья устанавливает фильтры прямо на кухонный кран с переключателем: вода для приготовления пищи идет через фильтр, для мытья – минуя его. Японцы и американцы переходят сейчас на электрохимические фильтры, принцип действия которых основан на химической реакции, проходящей под воздействием сильного электрического поля в присутствии катализатора. В результате вода полностью очищается от микроорганизмов, органических соединений и ионов тяжелых металлов. Эти фильтры – вечные, в них нет расходуемых материалов, однако нужна электроэнергия. Хорошо зарекомендовал себя отечественный фильтр «Аквафор», выполненный в виде насадки на кран. В этом фильтре глубокая очистка воды достигается за счет использования аквалена - сорбента нового поколения. Фильтр эффективно противодействует любым загрязнениям: бактериальным, тяжелым металлам, фенолу, хлороформу, бензопирену. После фильтров, как бы хороши они ни были, воду лучше кипятить.[1]
2.3 Влияние минерального состава воды на здоровье человека.
В литературе имеются многочисленные сведения о влиянии минерального состава воды на заболеваемость населения. Для организма имеются пределы в отношении каждого макро- или микроэлемента, понижение или превышение которых в питьевой воде не проходит бесследно для здоровья человека. Рассмотрим влияние некоторых веществ.
ФТОР. При недостаточном (до 0,7 мг/л) поступлении в организм человека фтора с водой наблюдается развитие кариеса зубов. При избытке фтора наблюдается пятнистость эмали зубов. Хроническое отравление соединениями фтора вызывает болезнь флюороз.
ЙОД. При недостатке иода развивается зобная болезнь.
ХЛОРИДЫ. Увеличение частоты сердечно-сосудистых заболеваний связывают с избыточным поступлением в организм хлорида натрия (поваренная соль). Так у людей, длительное время употреблявших воду с содержанием хлоридов 1400 мг/л, замечается склонность к гипертензивным заболеваниям. При концентрации хлоридов на уровне 300-400 мг/л (по данным некоторых исследователей – до 1000 мг/л) не выявлено отклонений в состоянии здоровья. По данным авторов [5], низкая концентрация натрия, сульфатов и хлоридов в воде коррелирует с высокой заболеваемостью раком желудка.
НИТРАТЫ. Под воздействием нитратов в питьевой воде в концентрации 44,6 мг/л возникает заболевание водно-нитратной метгемоглобинемией, которое проявляется в снижении артериального давления, в ухудшении качества крови.
ЖЕСТКОСТЬ воды. Наибольшая заболеваемость мочекаменной болезнью наблюдается там, где питьевая вода имеет жесткость от 16,0 до 23 мг-экв/л, наименьшая – в пределах 6.0 – 7.0 мг-экв/л. При превышении 10 мг-экв/л также развивается склероз, гипертоническая болезнь.
Однако появляется немало сообщений об обратной зависимости между жесткостью воды и смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний. Авторы утверждают, что благотворное влияние жестких вод связано с большим содержанием ионов магния. Исследователи [5] показали, что каждые 2 мг-экв/л жесткости являются источником 6-7 % общего поступления магния. Из воды организм усваивает 60% магния, а из пищи – до 30%.Исследования указывают на то, что при употреблении мягкой, маломинерализованной воды более интенсивно развиваются язва желудка и двенадцатиперстной кишки, хронического гастрита, холецистита, нефрита и ишемической болезни сердца. У новорожденных детей в районах с низким содержанием магния в воде более низкий уровень здоровья, чаще наблюдается анемия, желтуха, переломы костей, врожденные аномалии и дефекты развития.
ЖЕЛЕЗО. Одним из широко распространенных металлов в воде водоемов является железо. Установлено, что вода с повышенным содержанием железа (1 – 5 мг/л) оказывает выраженное неблагоприятное воздействие на кожные покровы человека, вызывая сухость кожи и зуд. Однако при длительном использовании такой воды наблюдается привыкание, и указанные эффекты проходят. По данным ВОЗ у 700 млн человек на Земле наблюдается дефицит железа, проявляющийся в малокровии.
АЛЮМИНИЙ. В литературе обсуждается вопрос о роли алюминия в развитии болезни Альцгеймера. С увеличением содержания этого металла в воде существенно возрастает смертность от болезни Альцгеймера. Высказывается предположение о мутагенности алюминия. [5]
2.4 Контроль качества воды по санитарным правилам и нормам.
По СанПиН 2.1.4.559 – 96 [6] химические вещества, которые могут находиться в питьевой воде, классифицируются по 4 классам опасности.
Классы опасности веществ учитывают:
- при определении первоочередности контроля содержания химических веществ в питьевой воде;
- при установлении последовательности природоохранных мероприятий;
- при обосновании рекомендаций о замене в технологических процессах опасных веществ.
Процедура оценки качества питьевой воды содержит ряд этапов.
1. Органы ФМБА проводят в течение года расширенные исследования химического состава воды по каждой системе водоснабжения – в местах водозабора и перед подачей в водопроводную систему.
2. ФМБА устанавливает перечень контролируемых показателей воды, периодичность контроля и количество проб. Контроль по какому-либо химическому элементу включается в список тогда, когда его концентрация при расширенных исследованиях составила не менее 0,5 ПДК.
3. Организация, осуществляющая эксплуатацию системы водоснабжения, (у нас – это «Водоканал») разрабатывает рабочую программу контроля качества питьевой воды. В программе указывают методики контроля, пункты и система забора воды
4. Рабочая программа утверждается органами ФМБА и администрацией города на срок не более 5 лет, в неё могут в течение этого срока вноситься изменения.
Отклонения от гигиенических нормативов допускаются при выполнении следующих условий:
- обеспечение населения питьевой водой не может быть достигнуто иным способом;
- максимальное ограничение срока действия отступлений;
- отсутствие угрозы здоровью населения в период времени максимально допустимых отклонений;
- обеспечение информации населения о введении отклонений.
Решение о временном введении отклонений принимается органом местного самоуправления по согласованию с главным санитарным врачом территории.
Гигиенические нормативы приводятся в приложении.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1 Ознакомиться с устройством и принципом работы установки.
Внешний вид установки представлен на рисунке.
Установка представляет собой стол лабораторный (1), на котором установлена столешница (2) и вертикальная панель (3).
На столешнице (2) установлена раковина сливная (4), которая соединяется с существующей системой канализации. На столешнице также размещены стаканы (5) и карманный измеритель ТDS (6).
На вертикальной панели (3) закреплены гидросистема (7) для подвода воды, фильтры «Аквафор В300» (8), «Гейзер – М» (9) и установки очистительные «Изумруд» (10) и «NIMBUS – 3» (11).
Гидросистема (7) имеет основную водную магистраль и пять отводных каналов подвода воды. На каждом из отводных каналов установлены шаровые краны. Фильтры и установки очистительные подсоединены к четырем каналам подвода воды, а пятый канал предназначен для отбора проб неочищенной водопроводной воды.
Подвод воды к гидросистеме осуществляется от системы водопровода холодной (питьевой) воды.
Принцип работы фильтра «Аквафор» основан на использовании свойства активированного углеродного волокна АКВАЛЕН обеспечивать глубокую очистку воды.
Принцип работы фильтра «Гейзер» основан на использовании уникального ионообменного материала. Очистка воды осуществляется в три стадии.
Первая стадия – удаление из воды грязи и ржавчины.
Вторая стадия – химическое связывание и удаление солей тяжелых металлов.
Третья стадия – микробиологическая очистка.
Для определения содержания солей в пробах воды используется карманный измеритель ТDS(6).
3.2 Подсоединить напорный шланг гидросистемы к системе водопровода холодной воды.
Установить стаканы для отбора проб воды под выходные гибкие трубки фильтров.
3.3 Поставить под гибкую трубку пятого свободного отводного канала стакан вместимостью 0,25 л. Открыть полностью шаровой кран на этом канале. С помощью вентиля на водопроводе установить подачу воды 0,5 л/мин. Подача воды определяется следующим образом: с помощью секундомера засечь время, за которое в стакан вытечет 0,2 л. Время заполнения должно быть 24 секунды. Положить конец гибкой трубки этого канала в сливную раковину.
3.4 Произвести отбор 150 мл неочищенной водопроводной воды в стакан.
3.5 Открыть шаровой кран на отводном канале, соединенном с фильтром «Аквафор», закрыть кран на свободном канале и произвести отбор 150 мл очищенной воды в стакан. Закрыть кран на канале с фильтром и открыть кран на свободном канале.
3.6 С помощью карманного измерителя TDS произвести измерение содержания примесей сначала в пробе очищенной воды, а затем в пробе неочищенной воды. Результаты занести в таблицу 1.
Таблица 1
Результаты измерения содержания солей в пробах воды
и расчета эффективности очистки воды
| № пробы | Тип фильтра | Содержание солей в пробе, мг/л | Эффективность очистки, % |
3.7 Определить эффективность очистки водопроводной воды по формуле:
Э = (М – m)/М*100%, (1)
где М – концентрация солей в неочищенной воде, мг/л (ppm);
m – концентрация солей в очищенной воде, мг/л (ppm).
3.8 Произвести действия на отводном канале, соединенном с фильтром «Гейзер» в
соответствии с п.п. 3.5 – 3.7.
3.9 Произвести действия на отводном канале, соединенном с очистительной установкой
«NIMBUS – 3» в соответствии с п.п. 3.5 – 3.7.
3.10 Установить подачу воды 1 л/мин, что соответствует заполнению стакана до отметки
0,2 л за 12 секунд. Полностью открыть шаровой кран на отводном канале, соединенном с установкой «Изумруд», и закрыть кран на свободном канале. Включить установку в сеть (загорится контрольная лампа). Произвести отбор 150мл
очищенной воды в стакан. Выключить установку, закрыть кран на канале с установкой и открыть кран на свободном канале.
Произвести измерение содержания солей в пробе воды и определить эффективность очистки водопроводной воды. Результаты занести в таблицу.
3.11 После проведения лабораторной работы закрыть вентиль на водопроводе и все
шаровые краны. Все пробы слить в раковину.
3.12 Сделать выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
4.1 Почему перед многими странами остро стоит проблема качества питьевой воды?
4.2 Какие стадии очистки проходит вода при водоподготовке?
4.3 Какие методы обеззараживания воды известны?
4.4 Какой из методов обеззараживания имеет больше преимуществ?
4.5 Почему необходима доочистка водопроводной воды?
4.6 Почему нельзя использовать горячую воду для питья и приготовления пищи?
4.7 Почему необходимо своевременно менять фильтрующие элементы в бытовых фильтрах?