Системы классификации природных вод и способы как можно более краткой характеристики качества воды (индекс качества воды) разрабатываются более, чем сто лет. Выделено 625 и даже более классов, групп, типов и разновидностей вод. В.И. Вернадский считал, что число видов природных вод больше 1500 единиц.
В настоящее время в нашей стране утверждены предельно допустимые концентрации загрязнителей и методики их определения более, чем по 1500 ингредиентам. Для утверждения того или иного источника для нужд питьевого водоснабжения требуется комплексное исследование и заключение на возможность использование в качестве источника водоснабжения, которое выдается органами Роспотребнадзора.
Для выбора технологических решений водоподготовки практический интерес представляет фазово-дисперсная классификация примесей воды, разработанная Л.А. Кульским. Для задач, связанных с очисткой воды, эта классификация полезна тем, что, определив фазово-дисперсное состояние примесей в воде и установив ее принадлежность к какой-то группе, можно предварительно выбрать комплекс методов и стадий очистки воды. При этом фазово-дисперсное состояние примесей должно устанавливаться после каждой стадии обработки воды и учитываться при проектировании всей схемы водоподготовки. (табл. 2) Методы обработки воды, определенные Л.А. Кульским:
Группа I. Воздействие на взвеси (например, седиментация, осветление во взвешенном слое, осадительное центрифугирование, центробежная сепарация в гидроциклонах, флотация, фильтрование).
Группа II. Воздействие на коллоидные примеси, в том числе высокомолекулярные соединения, вирусы: коагуляция, флокуляция, электрокоагуляция, адсорбция на высокодисперсных материалах, в том числе глинистых минералах, ионитах, окисление (хлорирование, озонирование), воздействие ультрафиолетом.
Группа III. Воздействие на растворенные органические вещества и газы: десорбция газов и легколетучих органических соединений путем аэрирования, адсорбция на активных углях, природных и синтетических ио-нитах и других высокопористых материалах, пенная флотация, ректификация, окисление (электро-химическое, биологическое, хлором, озоном, диоксидом хлора и др.).
Группа IV. Воздействие на примеси ионогенных неорганических веществ: ионный обмен, электродиализ, реагентная обработка. мембранные фильтрование.
Группа V. Воздействие на воду: дистилляция, вымораживание, магнитная обработка, обратный осмос, напорная фильтрация.
Группа VI. Воздействие на водную систему в целом: (например, закачка в подземные горизонты).
Таблица 2. Классификация вод по фазово-дисперсному состоянию примесей.
| Группа | Наименование примесей | Размер частиц, мкм | Характеристика примесей |
| I | Взвеси | >10-1 | Суспензии и эмульсии, обусловливающие мутность воды, микроорганизмы и планктон |
| II | Коллоидно-растворенные вещества | 10-1 10-2 | Коллоиды и высокомолекулярные соединения, обусловливающие окисляемость и цветность воды; вирусы |
| III | Молекулярно-растворенные вещества | 10-2 10-3 | Газы, растворимые в воде; органические вещества, придающие воде запах и привкус |
| IV | Вещества, диссоциированные на ионы (электролиты) | <10-3 | Соли, кислоты, основания, придающие воде жесткость, щелочность |
Все источники водоснабжения связаны с окружающей его внешней средой. На него оказывают влияние условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, индустрия, промышленное и коммунальное строительство, транспорт, хозяйственная и бытовая деятельность человека. Последствием этих влияний является привнесение в водную среду новых, несвойственных ей веществ загрязнителей, ухудшающих качество воды. Загрязнения, поступающие в водную среду, классифицируют по разному, в зависимости от подходов, критериев и задач. Основная классификация выделяет химическое, физическое (в основном, тепловое воздействие) и биологические загрязнения. Химическое загрязнение представляет собой изменение естественных химических свойств вода за счет увеличения содержания в ней вредных примесей как неорганической (минеральные соли, кислоты, щелочи, глинистые частицы), так и органической природы (нефть и нефтепродукты, органические остатки, поверхностно активные вещества, пестициды). В табл. 3 и 4 представлены классы и подклассы поверхностных вод по природным и антропогенным загрязнителям. Соответствующая классификация для подземных вод представлена в таблице 14.
В практике наиболее часто встречающие в поверхностных и подземных источниках примеси влияющие на выбор перспективных для эффективной работы технологий водоподготовки следующие:
§ Взвешенные твердые примеси
Присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. В
§ Железо.
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 водораспределения 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. Норматив содержания железа общего в питьевой воде - не более 0,3 мг/л.
Железо придает воде неприятную красно-коричневую окраску, ухудшает её вкус, вызывает развитие железобактерий.
§ Марганец.
Марганец относится к группе тяжёлых металлов, имеет природное происхождение. Встречается чаще всего в воде вместе с растворенным железом Fe2+. Содержание марганца в воде питьевого качества не должно превышать значений 0,1 мг/л.
Последствия превышения содержания марганца в воде - образование трудно выводимых темно-коричневых или черных пятен на поверхности оборудования, накопление отложений в трубопроводах.
§ Жесткость
Жесткость воды в природных водах 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 и других щелочноземельных металлов.
§ Органические вещества
В воде источников водоснабжения может быть обнаружено несколько тысяч органических веществ различных химических классов и групп. Органические соединения природного происхождения (гуминовые вещества, различные амины) и техногенного происхождения (поверхностно-активные вещества) способны изменять органолептические свойства воды (запах, привкус, окраску, мутность, способность к пенообразованию, пленкообразование), что позволяет их выявить и ограничить их содержание в питьевой воде.
Органические вещества подразделяются на группы:
¾ растворенных примесей: (гуминовые кислоты и их соли – гуматы натрия, калия, аммония; некоторые примеси промышленного происхождения; часть аминокислот и белков;
¾ нерастворенных примесей: ( фульвокислоты (соли) и гуминовые кислоты и их соли – гуматы кальция, магния, железа; жиры различного происхождения; частицы различного происхождения, в том числе микроорганизмы;
В то же время огромное число органических соединений весьма неустойчивы и склонны к непрерывной трансформации, поэтому непосредственное определение концентрации органических веществ в питьевой воде затруднительно, из-за чего содержание их принято характеризовать косвенным путём в мг О2/л, определяя окисляемость и цветность питьевой воды.
§ Окисляемость.
Окисляемость - это показатель, характеризующий содержание в воде органических и минеральных веществ. Окисляемость выражается в мЮ2 необходимого на окисление этих веществ, содержащихся в 1 дм3 исследованной воды.
Различают несколько видов окисляемости воды: перманганатную (1 мг KMnO4 соответствует 0,25 мг O2), бихроматную, иодатную. Наиболее высокая степень окисления достигается бихроматным и иодатным методами. В практике водоочистки для природных малозагрязненных вод определяют перманганатную окисляемость, а в более загрязненных водах - как правило, бихроматную окисляемость (называемую также ХПК - химическое потребление кислорода). Окисляемость является очень удобным комплексным параметром, позволяющим оценить общее загрязнение воды органическими веществами.
Значение перманганатной окисляемости выше 5 мг О2/л свидетельствует о содержании в воде легко окисляющихся органических соединений, многие из которых имеют отрицательное влияние на здоровье человека. При обеззараживании такой воды хлорированием образуются хлоруглеводороды, вредные для здоровья человека и строго контролируемые при подготовке питьевой воды.
Если в результате анализов воды обнаружено, что значение перманганатной окисляемости выше 5 мг О2/л, такая вода требует очистки от органических загрязнений.
§ Цветность.
Цветность - показатель качества воды, обусловленный главным образом присутствием в воде гуминовых и фульвовых кислот, а также соединений железа (Fe3+). Количество этих веществ зависит от геологических условий в водоносных горизонтах и от количества и размеров торфяников в бассейне исследуемой реки. Так, наибольшую цветность имеют поверхностные воды рек и озер, расположенных в зонах торфяных болот и заболоченных лесов. Зимой содержание органических веществ в природных водах минимальное, в то время как весной в период половодья и паводков, а также летом в период массового развития водорослей - цветения воды оно повышается.
§ Нитраты.
В поверхностных и подземных источниках воды присутствуют соединения азота в виде нитратов и нитритов. В настоящее время происходит постоянный рост их концентрации из-за широкого использования нитратных удобрений, избыток которых с грунтовыми водами поступает в источники водоснабжения. Согласно санитарным правилам и нормам, в воде централизованного водоснабжения содержание нитратов не должно превышать 45 мг/л, нитритов — 3 мг/л.
§ Водородный показатель (рН), Окислительно-восстановительный потенциал (Редокс-потенциал)
Величина pH – один из важнейших показателей качества воды для определения ее стабильности, накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах, данный показатель является одним ихз основных при выборе технологии реагентной обработки.
Редокс-потенциал(мера химической активности) Eh вместе с рН, температурой и содержанием солей в воде характеризует состояние стабильности воды. В частности этот потенциал необходимо учитывать при определении стабильности железа в воде. Eh в природных водах колеблется в основном от минус 0,5 до +0,7 В. Подземные воды классифицируются:
ü Eh > +(0,1–1,15) В – окислительная среда, в воде присутствует растворенный кислород, Fe3+, Cu2+, Pb2+, Mo2+ и др.
ü Eh – 0,0 до +0,1 В – переходная окислительно-восстановительная среда, характеризуется неустойчивым геохимическим режимом и переменным содержанием кислорода и сероводорода, а также слабым окислением и слабым восстановлением разных металлов;
ü Eh < 0,0 – восстановительная среда; в воде присутствуют сероводород и металлы Fe2+, Mn2+, Mo2+ и др.
Зная значения рН и Eh, можно по диаграмме Пурбэ установить условия существования соединений и элементов Fe2+, Fe3+, Fe(ОН)2, Fe(ОН)3, FeСО3, FeS, (FeOH)2+.
§ Вкус и привкус (для питьевой воды).
Вкус воды определяется растворенными в ней веществами органического и неорганического происхождения и различается по характеру и интенсивности. Различают четыре основных вида вкуса: соленый, кислый, сладкий, горький. Все другие виды вкусовых ощущений называются привкусами (щелочной, металлический, вяжущий и т.п.). Интенсивность вкуса и привкуса определяют при 20°С и оценивают по пятибалльной системе.
Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений - привкуса выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так далее. Наиболее распространенный соленый вкус воды чаще всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький - сульфатом магния, кислый - избытком свободного диоксида углерода и т.д.
§ Запах.
Запах - показатель качества воды, определяемый органолептическим методом с помощью обоняния на основании шкалы силы запаха. На запах воды оказывают влияние состав растворенных веществ, температура, значения рН и целый ряд прочих факторов. Запах в питьевой воде может иметь как природную причину появления, например, в поверхностных источниках в период развития жизнедеятельности фитопланктона, в подземных водах наиболее часто встречается запах сероводорода, так и причину технологическую, например, обеззараживание хлорреагентами. Интенсивность запаха воды определяют экспертным путем при 20°С и 60°С и измеряют в баллах.
· Микробиологическое загрязнения природных вод вызваны наличием патогенных микроорганизмов, например, бактерий, вирусов, водорослей, грибов, простейших и их токсинов, уровень микробиологических загрязнений влияет на выбор технологий обеззараживания.
Таблица 3. Классы поверхностных вод по определяющим природным ингредиентам
| Класс вод | Наименование классов вод | Ориентировочные концентрации определяющих ингредиентов | Период |
| А1 | Цветные маломутные воды | Ц=20-200 0ПКШ, М < 20 мг/л, Т = 0-25 °С, рН = 6,8-9,0, ПО 6-10 мг02 /л | t2 |
| А2 | Высокоцветные маломутные воды | Ц > 200-650 0ПКШ, М = 5-50 мг/л, Т = 0-30 °С, рН = 6-8, ПО 8-25 мг02 /л | t1 |
| А3 | Цветные маломутные воды с повышенной окисляемостью | Ц > 200-650 0ПКШ, М = 5-50 мг/л, Т = 0-30 °С, рН = 6-8, ПО 8-25 мг02 /л | t2 |
| B1 | Воды со средними значениями цветности и мутности | Ц = 25-150 0ПКШ, М = 20-150 мг/л, Т = 0-30 °С, рН = 6-9, ПО 6-10 мг02 /л | t2 |
| В2 | Маломутные воды со средними значениями цветности | В1 кроме М. М = 5-50 мг/л | t2 |
| В3 | Воды со средними значениями цветности и мутности, содержащие в большом количестве фитопланктон и зоопланктон | B1, дополнительно Ф = 103 -106 кл/мл | t2 |
| В4 | Воды со средними значениями цветности и мутности и повышенной окисляемости | В1 кроме ПО ПО = 10-25 мг02 /л | t2 |
| С1 | Мутные, малоцветные воды | ц < 20 0ПКШ, М = 250-1000 мг/л, т = 0-25 °с, рН = 7-9, ПО 5-8 мг02 /л | t2 |
| С2 | Высокомутные воды с преобладанием минеральных загрязнений | М= 1000-5000 мг/л, т = 0-35 °с, рН = 7-9, ПО 3-8 мг02 /л | t1 |
| С3 | Высокомутные воды с повышенной окисляемостью | с2, кроме ПО. ПО = 8-18 мг02 /л | t1 |
| D1 | Воды, содержащие в большом количестве фитопланктон и зоопланктон | ц < 200 0ПКШ, М < 5-50 мг/л, ф= 103-106 кл/мл, т = 0-30 °с, рН = 6,5-9, ПО ~ 5-8 мг02/л | t1 |
| D2 | Воды, содержащие в большом количестве фитопланктон и зоопланктон с повышенным содержанием органического вещества | D1 кроме ПО. ПО = 8-25 мг02 /л | t1 |
| E | Жесткие, минерализованные воды | С >1000 мг/л, ЖО > 7 мг-экв/л, М< 1000 мг/л, ц< 20-150 0ПКШ | t2 |
Ц - цветность, М - мутность, Т - температура, рН - водородный показатель, ПО - перманганатная окисляемость, С - общая минерализация, Ф - количество клеток фитопланктона, ЖО - жесткость общая, t1 - период появления до 3 месяцев в году; t2 - постоянное присутствие в течение года.
Таблица 4. Подклассы поверхностных вод по определяющим антропогенным ингредиентам.
| Подкласс вод | Ингредиенты антропогенного происхождения | Ориентировочные концентрации определяющих ингредиентов | Нормативы СанПиН (ВОЗ) | Период |
| Нефтепродукты | 0,1-0,5 | 0,1 (0,3) | t1 | |
| Фенолы | 0,001-0,01 | 0,001 | t1 | |
| ПАВ анионоактивные | 0,5-2,5 | 0,5 (-) | t1 | |
| Азот аммонийный | 2-10 | 2,0 (не уст.) | t1 | |
| Нитраты, | 45-90 | 45,0 (не уст.) | t1 | |
| нитриты | 3-6 | 3,0 (не уст.) | ||
| Пестициды: | t1 | |||
| линдан гептахлор ДДТ | 0,002-0,02 0,05-0,30 0,002-0,02 | 0,002(0,003) 0,05 (0,1) 0,002 | ||
| Соли тяжелых металлов: | t1,t2 | |||
| ртуть свинец хром медь цинк | 0,0005-0,001 0,03-0,1 0,05-0,25 1,0-5,0 5,0-20,0 | 0,0005(0,001) 0,03 (0,03) 0,05 (0,05) 1,0(1,0) 5,0 (5,0) | ||
| железо кадмий | 0,3-1,5 0,001-0,005 | 0,3(0,3) (0,001) | ||
| Хлорорганические соединения: | t1,t2 | |||
| четыреххлористый углерод | 0,006-0,01 | 0,006 (0,003) | ||
| хлороформ | 0,2-0,5 | 0,2 (0,1!!) (0,2) | ||
| Радиационные загрязнители, Бк/л, общая α -радиация общая β-радиация | t2 | |||
| 0,1-0,4 1,0-3,0 | 0,1 1,0 |