Основные показатели состава и качества воды

Минерализация

Суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ; обычно выражается в мг/дм³ (до 1000 мг/дм³) и ‰ (более 1000 мг/дм³).

Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводность варьирует от 30 мкСм/см до 1500 мкСм/см. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40-50 мг/дм3 до 650 г/кг (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводность атмосферных осадков (с минерализацией от 3 до 60 мг/дм3) составляет величины 20-120 мкСм/см.

Классификация природных вод по минерализации.

Очень часто параметр «общая минерализация» путают с «сухим остатком». Действительно, эти параметры очень близки между собой, но методика определения сухого остатка несколько иная. Это приводит к тому, что общая минерализация зачастую отличается от сухого остатка. Сухой остаток определяется термогравиметрическим методом (выпаривание пробы воды на водяной бане и высушивания чашки при 105 °С.) В процессе обработки из пробы удаляются летучие компоненты и вещества, разлагающиеся с образованием летучих компонентов.

В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды суммарная минерализация не должна превышать величины 1000 мг/л. Вода, содержащая большое количество солей, отрицательно влияет на растения и человека, вызывает образование накипи на стенках котлов, коррозию, засоление почв. Регулярное употребление высокоминерализованной воды ведет к болезням пищеварения, обмена веществ, повышенной сухости кожи.

Взвешенные вещества (грубодисперсные примеси)

Взвешенные твердые вещества, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Концентрация взвешенных частиц связана с сезонными факторами и режимом стока, зависит от пород, слагающих русло, а также от антропогенных факторов, таких как сельское хозяйство, горные разработки и т.п.

Взвешенные частицы могут приводить к авариям в системе водоснабжения, прозрачность (или мутность) воды, на скорость осадкообразования и теплообмен в котельных установках. Повышенное содержание взвесей способно приводить к авариям в водопроводной системе. Вода, в которой много взвешенных частиц, не подходит для использования по эстетическим и хозяйственно-бытовым соображениям. Грубодисперсные примеси определяют гравиметрическим методом.

Мутность (тонкодисперсные примеси)

Мутность природных вод вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органическими веществами различного происхождения. Взвешенные вещества попадают в воду в результате смыва твердых частичек (глины, песка, ила) верхнего покрова земли дождями или талыми водами во время сезонных паводков, а также в результате размыва русла рек. Наименьшая мутность водоемов наблюдается зимой, наибольшая - весной (в период паводков) и летом (в период дождей). Также повышение мутности воды может быть вызвано взвесями карбонатов, гидроксидов алюминия, высокомолекулярных органических примесей гумусового происхождения, появлением фито- и изопланктона, а также окислением соединений железа и марганца кислородом воздуха.

Взвешенные вещества имеют различный гранулометрический состав, который характеризуется гидравлической крупностью, выражаемой как скорость осаждения частиц при температуре 10 ^oС в неподвижной воде.

Качественное определение проводят описательно: слабая опалесценция, опалесценция, слабая, заметная и сильная муть.

Мутность воды определяют турбидиметрически по ослаблению проходящего через пробу света (РД 52.08.104-2002 Методические указания. Мутность воды. Методика выполнения измерений.) путем сравнения проб исследуемой воды со стандартными суспензиями. Результаты измерений выражают в мг/л (при использовании основной стандартной суспензии каолина) или в ЕМФ/л (единицы мутности на л при использовании основной стандартной суспензии формазина); 1,5 мг/л каолина соответствует 2,6 ЕМФ/л формазина. Турбидиметрическое определение предназначено для вод, имеющих переменчивый состав и форму тонкодисперсных примесей. Если пробу предварительно не профильтровать, то турбидиметрически будут определены не только коллоидные, но и более грубодисперсные частицы.

Мутность не только отрицательно влияет на внешний вид воды. Главным отрицательным следствием высокой мутности является то, что она защищает микроорганизмы при ультрафиолетовом обеззараживании и стимулирует рост бактерий. Поэтому во всех случаях, когда производится дезинфекция воды, мутность должна быть минимальной для обеспечения высокой эффективности этой процедуры. В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды мутность не должна превышать 1,5 мг/л по каолину. (Каолин в основном состоит из каолинита, который представляет собой кристаллическое вещество состава Al2O3×2SiO2×2H2O. Глины или совсем не содержат этого соединения или содержат его как случайную примесь. Чистый каолин – белого цвета и отличается сравнительно малой пластичностью. Ввиду того, что он служит сырьём для изготовления фарфора, его называют фарфоровой землёй).

Запах и привкус

Запах – это свойство воды вызывать у человека и животных специфическое раздражение слизистой оболочки носовых ходов. Запах воды характеризуется интенсивностью, которую измеряют в баллах. Запах воды вызывают летучие пахнущие вещества, поступающие в воду в результате процессов жизнедеятельности водных организмов, при биохимическом разложении органических веществ, при химическом взаимодействии содержащихся в воде компонентов, а также с промышленными, сельскохозяйственными и хозяйственно-бытовыми сточными водами.

На запах воды оказывают влияние состав содержащихся в ней веществ, температура, значения рН, микроорганизмы, гидрологические условия и т.д. Концентрации различных веществ, при которых ощущается их запахи или привкус в воде, неодинаковы. Сероводород ощущается при концентрации его в воде более 0.2-0.3 мг/л, хлор - при концентрации более 0.3 мг/л, хлорфенол - при концентрации более 0.02 мг/л, продукты жизнедеятельности актиномицетов (придают воде землистый запах) ощущаются при концентрации более 10-8 мг/л.

Определение интенсивности запаха воды:

Химически чистая вода совершенно лишена вкуса. Однако в природе такая вода не встречается – она всегда содержит в своем составе растворенные вещества. По мере роста концентрации неорганических и органических веществ, вода начинает принимать тот или иной привкус. Вкус – это свойство веществ (в нашем случае воды) вызывать у человека и животных специфическое раздражение рецепторов слизистой оболочки языка. Следует также иметь в виду, что привкус может появиться в воде на нескольких этапах: в природной воде, в процессе водоподготовки, при транспортировке по трубопроводам. 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:

Цветность

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений; выражается в градусах платиново-кобальтовой шкалы. Определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами. Цветность природных вод колеблется от единиц до тысяч градусов. Предельно допустимая величина цветности в водах, используемых для питьевых целей, составляет 20 градусов. Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений железа. Количество этих веществ зависит от геологических условий, водоносных горизонтов, характера почв, наличия болот и торфяников в бассейне реки и т.п. Сточные воды некоторых предприятий также могут создавать довольно интенсивную окраску воды.

Различают «истинный цвет», обусловленный только растворенными веществами, и «кажущийся» цвет, вызванный присутствием в воде коллоидных (размером менее 1 мкм, 1 мкм = 0,001 мм) взвешенных частиц, соотношения между которыми в значительной мере определяются величиной pH.

Высокая цветность воды, как правило, связана с присутствием в ней ионов железа и/или органических примесей и оказывает отрицательное влияние на эстетические ощущения, здоровье человека и животных.

Прозрачность

Прозрачность (или светопропускание) природных вод обусловлена их цветом и мутностью, т.е. содержанием в них различных окрашенных и взвешенных органических и минеральных веществ. Воду в зависимости от степени прозрачности условно подразделяют на прозрачную, слабоопалесцирующую, опалесцирующую, слегка мутную, мутную, сильно мутную.

Мерой прозрачности служит высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (как правило, шрифт средней жирности высотой 3,5 мм). Результаты выражаются в сантиметрах с указанием способа измерения.

Водородный показатель (рН)

Водородный показатель характеризует концентрацию свободных ионов водорода в воде. Для удобства отображения был введен специальный показатель, названный рН и представляющий собой логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком, т.е. pH = -log[H⁺]. Например, если концентрация водородных ионов [Н⁺] =10-5 г-ион/л, то рН = 5.

Величина рН определяется количественным соотношением в воде ионов Н+ и ОН-, образующихся при диссоциации воды. Если в воде пониженное содержание свободных ионов водорода, по сравнению с ионами ОН-, то рН>7 и вода будет иметь щелочную реакцию, а при повышенном содержании ионов Н+ вода будет иметь кислую реакцию и рН > 7. В чистой дистиллированной воде эти ионы будут уравновешивать друг друга. В случаях равновесия ионов Н+ и ОН- вода нейтральна и рН=7. При растворении в воде различных химических веществ этот баланс может быть нарушен, что приводит к изменению уровня рН. Очень часто показатель рН путают с такими параметрами, как кислотность и щелочность воды. Важно понимать разницу между ними. Главное заключается в том, что рН – это показатель интенсивности, но не количества. То есть, рН отражает степень кислотности или щелочности среды, в то время как кислотность и щелочность характеризуют количественное содержание в воде веществ, способных нейтрализовывать соответствующее количество щелочи или кислоты.

Концентрация водородных ионов определяет соотношение между бикарбонатными HCO₃^2- и карбонатными CO₃^2- ионами (рис.).

Источником ионов водорода являются также гумусовые кислоты, присутствующие в почвах. Изменения pH тесно связаны с процессами гидролиза, например гидролизом солей металлов: Fe²⁺ + 2H₂O ↔ Fe(OH)_2- + 2H⁺.

От величины pH зависит развитие и жизнедеятельность многих организмов, устойчивость различных форм миграции элементов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. Величина pH воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ. Например, увеличение присутствия в воде анионов ОН_- уменьшает растворимость металлов, т.к. большинство гидоксидов металлов трудно растворимы.

Природные воды в зависимости от рН рационально делить на семь групп:

В соответствии с требованиями к составу и свойствам питьевой воды, величина pH не должна выходить за пределы интервала значений 6,0..9,0. Контроль уровня рН особенно важен на всех стадиях водоочистки, так как его «уход» в ту или иную сторону может не только существенно сказаться на запахе, привкусе и внешнем виде воды, но и повлиять на эффективность водоочистных мероприятий. рН теоретически находится в диапазоне 1..14. Значение pH в речных водах обычно варьирует в пределах 6,5..8,5, в атмосферных осадках 4,6..6,1, в болотах 5,5..6,0, в морских водах 7,9..8,3. Концентрация ионов водорода подвержена сезонным колебаниям. Зимой величина pH для большинства речных вод составляет 6,8..7,4, летом 7,4..8,2 При низком рН вода обладает высокой коррозионной активностью, а при высоких уровнях (рН>11) вода приобретает характерную мылкость, неприятный запах, вызывает раздражение глаз и кожи. Для быстрого (сигнального) анализа неизвестных растворов используется рН-индикаторная бумага, имеющая точность определения рН не более ±1, что недостаточно для выполнения анализа природной и питьевой воды.

Растворенный кислород

Растворенный кислород находится в природной воде в виде молекул O₂. В 100 объемах H₂O растворяется 3 объема O₂ (при норм. условиях, т.е. при давлении 1 атм. и температуре 20 ^oС). На его содержание в воде влияют две группы противоположно направленных процессов: одни увеличивают концентрацию кислорода, другие уменьшают ее. К первой группе процессов, обогащающих воду кислородом, следует отнести:

• 1. Процесс абсорбции кислорода из атмосферы; Абсорбция кислорода из атмосферы происходит на поверхности водного объекта. Скорость этого процесса повышается с понижением температуры, с повышением давления и понижением минерализации. Обогащение глубинных слоев воды кислородом происходит в результате перемешивания водных масс, в том числе ветрового, вертикальной температурной циркуляции и т.д.
• 2. Выделение кислорода водной растительностью в процессе фотосинтеза; Фотосинтетическое выделение кислорода происходит при ассимиляции диоксида углерода водной растительностью. Процесс фотосинтеза протекает тем сильнее, чем выше температура воды, интенсивность солнечного освещения и больше биогенных (питательных) веществ (P, N и др.) в воде. Продуцирование кислорода происходит в поверхностном слое водоема, глубина которого зависит от прозрачности воды.
• 3. Поступление в водоемы с дождевыми и снеговыми водами, которые обычно пересыщены кислородом.

К группе процессов, уменьшающих содержание кислорода в воде, относятся реакции потребления его на окисление:

• 1. биологическое (дыхание организмов)
• 2. биохимическое (дыхание бактерий, расход кислорода при разложении органических веществ)
• 3. химическое (окисление Fe²⁺, Mn²⁺, NO_2-, NH4₄₊, CH₄, H₂S).

Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры, количества организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению.

В поверхностных водах содержание растворенного кислорода варьируется в широких пределах – от 0 до 14 мг/л и подвержено сезонным и суточным колебаниям. Суточные колебания зависят от интенсивности процессов его продуцирования и потребления и могут достигать 2,5 мг/л растворенного кислорода. В зимний и летний количество кислорода в воде различается. Дефицит кислорода чаще наблюдается в водных объектах с высокими концентрациями загрязняющих органических веществ и в водоемах, содержащих большое количество биогенных и гумусовых веществ.

В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого и санитарного водопользования содержание растворенного кислорода в пробе, отобранной до 12 часов дня, не должно быть ниже 4 мг/л в любой период года; для водоемов рыбохозяйственного назначения концентрация растворенного в воде кислорода не должна быть ниже 4 мг/л в зимний период и 6 мг/л в летний.

В соответствии с требованиями к составу и свойствам воды водоемов у пунктов питьевого и санитарного водопользования содержание растворенного кислорода в пробе, отобранной до 12 часов дня, не должно быть ниже 4 мг/л в любой период года; для водоемов рыбохозяйственного назначения концентрация растворенного в воде кислорода не должна быть ниже 4 мг/л в зимний период и 6 мг/л в летний.

Содержание кислорода в водоемах с различной степенью загрязненности:

Низкое содержание растворенного кислорода в системах водоснабжения может способствовать увеличению содержания растворенного неорганического железа, а также микробиологическому восстановлению нитрата в нитрит и сульфата в сульфид, что вызывает появление запаха. Уменьшение количества кислорода приводит также к повышению концентрации двухвалентного железа в растворе и осложняет его удаление. В то же время высокое содержание растворенного кислорода придает воде коррозионные свойства по отношению к металлам и бетону.

Жесткость

Жесткость воды представляет собой свойство природной воды, зависящее от наличия в ней главным образом растворенных солей кальция и магния. Суммарное содержание этих солей называют общей жесткостью. Общая жесткость подразделяется на:

• 1. Карбонатную. Карбонатная жесткость вызвана присутствием растворенных гидрокарбонатов кальция Ca(HCO₃)₂ и магния Mg(HCO₃)₂. При кипячении гидрокарбонаты разрушаются с образованием осадков малорастворимых карбонатов, например: Сa²⁺ + 2HCO_3- → CaCO₃↓ + CO₂↑+ H₂O; Mg²⁺ + 2HCO_3- → Mg(OH)₂↓ + 2CO₂↑; и общая жесткость уменьшается, поэтому карбонатную жесткость называют также временной или устранимой.
• 2. Некарбонатную, обусловленную кальциевыми и магниевыми солями сильных кислот (сульфаты и хлориды кальция и магния). Оставшаяся после кипячения жесткость является некарбонатной и называется постоянной.

Результаты определения жесткости обычно выражают в мг-экв/л. В следующей таблице приведены основные катионы металлов, вызывающие жесткость, и главные анионы, с которыми они ассоциируются:

На практике стронций, железо и марганец оказывают на жесткость столь небольшое влияние, что ими, как правило, пренебрегают. Алюминий (Al³⁺) и трехвалентное железо (Fe³⁺) также влияют на жесткость, но при уровнях рН, встречающихся в природных водах, их растворимость, и, соответственно, «вклад» в жесткость ничтожно малы. Аналогично, не учитывается и незначительное влияние бария (Ва²⁺). Жесткость воды колеблется в широких пределах.

Физиологически оптимально для человека пить воду с жесткостью 2,5..3,0 мг-экв/л. Особые требования предъявляются к технической воде (из-за образования накипи) – в диапазоне 0,5..0,7 мг-экв/л.

В естественных условиях ионы кальция и магния, составляющих жесткость, поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с карбонатными минералами и других процессов растворения и химического выветривания горных пород. Источником этих ионов являются также микробиологические процессы, протекающие в почвах. Обычно преобладает жесткость, обусловлена ионами кальция (до 70%); однако в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать 50..60%. Жесткость морской воды и океанов значительно выше (десятки мг-экв/л). Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего в период половодья.

В мировой практике используется несколько единиц измерения жесткости, все они определенным образом соотносятся друг с другом. В России Госстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м³). Один моль на кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция (Ca²⁺) 20,04 г/м³ (мг/л) или ионов магния (Mg²⁺) 12,153 г/м³ (мг/л). Числовое значение жесткости, выраженное в молях на кубический метр равно числовому значению жесткости, выраженному в миллиграмм- эквивалентах на литр (или кубический дециметр), т.е. 1 моль/м³ = 1 ммоль/л = 1 мг-экв/л = 1 мг-экв/дм³. В зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус (ppm CaCO₃).

Основные единицы жесткости воды и их соотношение:

Концентрации ионов могут быть выражены в эквивалентах на литр (моль-экв/л), числом моль на литр (моль/л) или их массой в любом объеме. В США жесткость измеряют эквивалентно концентрации карбоната кальция в грэйнах, а в качестве единицы жёсткости продолжают использовать грэйн/галлон (gpg), несмотря на то, что в большинстве стран эта единица измерения считается устаревшей. Американский галлон равен 3,78533 литра, грейн (Grain или gr.) равен 0,0648 г, отсюда 1 грэйн/галлон = 17,1187 мг/л (17,1187 ppm) ≈ 17,12 мг/л. Немецкий градус жесткости соответствует раствору с концентрацией CaO 10 мг/л, английский – раствору с концентрацией CaСO₃ 14,25 мг/л [1 грэйн (0,0648 г) на имперский галлон (4,546 л)], французский – раствору с концентрацией CaСO₃ 10 мг/л, а американский – раствору с концентрацией CaСO₃ 1 мг/л. Т.е. за базу (рейперную точку) принимался стандартный раствор CaO или CaCO₃.

Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) не предлагает какой-либо рекомендуемой величины жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что хотя ряд исследований и выявил статистически обратную зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, имеющиеся данные не достаточны для вывода о причинном характере этой связи. Аналогичным образом, однозначно не доказано, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Железо (Fе, суммарно)

Железо существует в природе в различных формах (в зависимости от валентности: Fe0, Fe2+, Fe3+), а также в составе различных сложных химических соединений.

• 1. Элементарное железо (Fe⁰). Элементарное или металлическое железо, безусловно, нерастворимо в воде. В присутствии влаги и кислорода воздуха окисляется до трехвалентного, образуя нерастворимый оксид Fe2O3 (процесс, известный в быту как "ржавление").
• 2. Двухвалентное железо (Fe2+). Почти всегда находится в воде в растворенном состоянии, хотя возможны случаи (при определенных редко встречающихся в природной воде уровнях рН), когда гидроксид железа Fe(OH)2 способен выпадать в осадок.
• 3. Трехвалентное железо (Fe3+). Гидроксид железа Fe(OH)3 нерастворим в воде (кроме случая очень низкого рН). Хлорид (FeCl3) и сульфат (Fe2(SO4)3 трехвалентного железа - растворимы и могут образовываться даже в слабощелочных водах. Реакция Fe2+ ↔ Fe3+ широко распространена в природе.
• 4. Органическое железо. Органическое железо встречается в воде в разных формах и в составе различных комплексов. Органические соединения железа, как правило, растворимы или имеют коллоидную структуру и очень трудно поддаются удалению. Различают следующие виды органического железа:
• 5. Бактериальное железо. Некоторые виды бактерий (например, Gallionella ferruginea, вид стебельчатых, лентоподобных бактерий) способны использовать энергию растворенного железа в процессе своей жизнедеятельности. При этом происходит преобразование двухвалентного железа в трехвалентное, которое сохраняется в желеобразной оболочке вокруг бактерии.
• 6. Коллоидное железо. Коллоиды - это нерастворимые, невидимые глазу частицы очень малого размера (менее 1 микрона), в силу чего они трудно поддаются фильтрации на гранулированных фильтрующих материалах. Крупные органические молекулы (такие как танины и лигнины) также попадают в эту категорию. Коллоидные частицы из-за своего малого размера и высокого поверхностного заряда (отталкивающего частицы друг от друга, препятствуя их укрупнению) создают в воде суспензии и не осаждаются, находясь во взвешенном состоянии. Коллоидное железо характерно для поверхностных вод (коллоиды Fe(OH)3).
• 7. Растворимое органическое железо. Так же как, например, полифосфаты способны связывать и удерживать в растворе кальций и другие металлы, некоторые органические молекулы способны связывать железо в сложные растворимые комплексы, называемые хелатами. Примером такого связывания может служить удерживающая железопорфириновая группа гемоглобина крови или удерживающий магний хлорофилл растений. Так, прекрасными хелатообразующими агентами являются фульво- и гуминовая кислоты, играющия важную роль в почвенном ионообмене.

На практике встречается сочетание нескольких или даже всех видов железа. Все они ведут себя по-разному:

Активный хлор.

Хлор, присутствующий в воде в виде хлорноватистой кислоты (HClO) или гипохлорит-аниона (ClO-), принято называть свободным хлором. Хлор, существующий в виде хлораминов (монохлорамин - NH₂Cl и дихлорамин – NHCl₂, а также в виде треххлористого азота NCl₃) называют связанным хлором.

Свободный (он же активный) хлор достаточно часто применяют для дезинфекции питьевой и сточной воды. В промышленности хлор используют при отбеливании в бумажном производстве, производстве ваты, для уничтожения паразитов в холодильных установках и т.д. При растворении хлора в воде образуются соляная и хлорноватистая кислоты: Cl₂ + H₂O = H⁺ + Cl^- + HClO.

В питьевой воде содержание активного хлора установлено в пересчете на хлор на уровне 0,3..0,5 мг/л в свободном виде и на уровне 0,8..1,2 мг/л в связанном виде. Активный хлор в указанных концентрациях присутствует в питьевой воде непродолжительное время (не более нескольких десятков минут) и нацело удаляется даже при кратковременном кипячении воды. Анализ отобранной пробы на содержание активного хлора следует проводить немедленно. Лимитирующий показатель вредности для активного хлора – общесанитарный.

Перманганатная окисляемость

Окисляемость – это величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых (при определенных условиях) одним из сильных химических окислителей. Выражается этот параметр в миллиграмм кислорода, необходимого на окисление этих веществ, содержащихся в 1 л воды. Различают несколько видов окисляемости воды: перманганатную, бихроматную, иодатную, цериевую.
Наиболее высокая степень окисления достигается бихроматным и одатным 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, в т.ч. микроорганизмами.

Величина окисляемости природных вод может варьироваться в широких пределах от долей миллиграммов до десятков миллиграммов О₂ на литр воды. Поверхностные воды имеют более высокую окисляемость (а значит и более "богаты" органикой) по сравнению с подземными. Так, горные реки и озера характеризуются окисляемостью 2..3 мг О₂/л, реки равнинные – 5..12 мг О₂/л, реки с болотным питанием - десятки миллиграммов на 1 л. Подземные же воды имеют в среднем окисляемость на уровне от сотых до десятых долей миллиграма О₂ /л (исключения составляют воды в районах нефтегазовых месторождений, торфянников, в сильно заболоченных местностях).

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДУ перманганатной окисляемости равен 5,0 мг О₂ /л. Значение перманганатной окисляемости выше 2 мг О₂/л свидетельствует о содержании в воде легкоокисляющихся органических соединений, многие из которых отрицательно влияют на печень, почки, репродуктивную функцию организма.

Аммоний (NH₄⁺, по азоту)

Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Образовавшийся таким образом аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза белков, участвуя тем самым в биологическом круговороте веществ (цикле азота).
Повышение концентрации ионов аммония и нитритов обычно указывает на свежее загрязнение, в то время как увеличение содержания нитратов — на загрязнение в предшествующее время. Все формы азота, включая и газообразную, способны к взаимным превращениям.

Существует два основных источника загрязнения воды аммонийными соединениями:

• 1. Избыточное и неправильное применения минеральных и органических удобрений;
• 2. Фекалии (стоки с пастбищ и мест скопления скота, сточные воды от животноводческих комплексов, а также разгерметизация систем канализации).

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК аммония составляет 2,0 мг/л. По данным ВОЗ, содержание аммония не должно превышать 0,5 мг/л. Постоянный прием внутрь воды с повышенным содержанием аммония вызывает хронический ацидоз и изменения в тканях. Кроме того, аммиак (в виде газа) раздражает конъюнктиву глаз и слизистые оболочки.

Нитраты (NO₃^-)

Присутствие нитратных ионов в природных водах связано с:

• 1. внутриводоемными процессами нитрификации аммонийных ионов в присутствии кислорода под действием нитрифицирующих бактерий;
• 2. атмосферными осадками, которые поглощают образующиеся при атмосферных электрических разрядах оксиды азота (концентрация нитратов в атмосферных осадках достигает 0,9 - 1 мг/л);

Концентрация нитратов в поверхностных водах подвержена заметным сезонным колебаниям: минимальная в вегетационный период, она увеличивается осенью и достигает максимума зимой, когда при минимальном потреблении азота происходит разложение органических веществ и переход азота из органических форм в минеральные. Главными процессами, направленными на понижение концентрации нитратов, являются потребление их фитопланктоном и денитрофицирующими бактериями, которые при недостатке кислорода используют кислород нитратов на окисление органических веществ.

В незагрязненных подземных водах содержание нитрат-ионов обычно выражается сотыми, десятыми долями миллиграмма и реже единицами миллиграммов в 1 л. Подземные водоносные горизонты в бóльшей степени подвержены нитратному загрязнению, чем поверхностные водоемы (т.к. отсутствует потребитель нитратов). В незагрязненных поверхностных водах концентрация нитрат-ионов не превышает величины порядка десятков микрограммов в 1 л.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК нитратов составляет 45 мг/л. При длительном употреблении питьевой воды и пищевых продуктов, содержащих значительные количества нитратов (от 25 до 100 мг/л), резко возрастает концентрация метгемоглобина в крови. Крайне тяжело протекают метгемоглобинемии у грудных детей и у людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Особенно в этом случае опасны грунтовые воды и питаемые ими колодцы, поскольку в открытых водоемах нитраты частично потребляются водными растениям. В воздействии на человека различают первичную токсичность собственно нитрат-иона; вторичную, связанную с образованием нитрит-иона, и третичную, обусловленную образованием из нитритов и аминов нитрозаминов. Смертельная доза нитратов для человека составляет 8..15 г; допустимое суточное потребление по рекомендациям ВОЗ — 5 мг/кг массы тела.

Тяжелые металлы

К тяжелым металлам обычно относят элементы периодической системы с атомной массой свыше 50 атомных единиц: Cd, Cu, Cr, Hg, Ni, Pb, Zn, Al, Ag, Au и др. При этом важную роль играют следующие условия: высокая токсичность металла для живых организмов в относительно низких концентрациях, способность к накапливанию в живых организмах и нарастанию концентрации металла в каждом последующем звене пищевой цепи. Ионы металлов всегда присутствуют в природных водоемах.
В зависимости от условий они существуют в различных степенях окисления и входят в состав различных неорганических и металлоорганических соединений, которые могут быть растворенными, коллоидно-дисперсными или входить в состав минеральных и органических взвесей. Многие металлы образуют достаточно устойчивые комплексы с органическими веществами, например с почвенными. Большинство этих комплексов относительно хорошо растворяются в воде в условиях нейтральной, слабокислой и слабощелочной сред, благодаря чему они способны мигрировать в природных водах на значительные расстояния.

Источниками загрязнения водных объектов тяжелыми металлами служат сточные воды гальванических цехов, предприятий горнодобывающей промышленности, черной и цветной металлургии, машиностроительных заводов. Тяжелые металлы входят в состав удобрений и пестицидов и могут попадать в водоемы вместе со стоками сельскохозяйственных угодий.
Повышение концентраций тяжелых металлов в природных водах часто связано с другими видами загрязнений, например, с закислением. Выпадение кислотных осадков способствует снижению рН и переходу металлов из сорбированного (на минеральных и органических носителях) состояния в свободное. Снижение концентраций тяжелых металлов может являться результатом их потребления водными организмами и процессов адсорбции.

Тяжелые металлы способны накапливаться в организме, и достигая определенной концентрации вызывают отравления, мутации. Ионы тяжелых металлов снижая фильтрационную способность почек и печени. Соответственно, это приводит к накоплению токсинов и продуктов жизнедеятельности клеток нашего организма, т.е. самоотравление организма, т.к. именно печень отвечает за переработку ядовитых веществ, попадающих в наш организм, и продуктов жизнедеятельности организма, а почки - за их выведение наружу. Многие из тяжелых металлов обладают канцерогенными свойствами.

Натрий (Na⁺)

Натрий (Na) участвует в образовании желудочного сока, регулирует выделение почками многих продуктов обмена веществ, активирует ряд ферментов слюнных желез и поджелудочной железы, а также более чем на 30% обеспечивает щелочные резервы плазмы крови. Кроме того, ионы натрия способствуют набуханию коллоидов тканей, что задерживает воду в организме.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК натрия составляет 200 мг/л.

Марганец (Мn, суммарно)

В природные воды марганец поступает в результате выщелачивания железомарганцевых руд и других минералов, содержащих марганец (пиролюзит, псиломелан, браунит, манганит, черная охра). Значительные количества марганца поступают в окружающую среду в результате разложения водных животных и растительных организмов, особенно сине-зеленых диатомовых водорослей и высших водных растений.
Соединения марганца выносятся в водоемы со сточными водами марганцевых обогатительных фабрик, металлургических заводов, предприятий химической промышленности и др. Роль марганца в жизни высших растений и водорослей весьма важна. Марганец способствует утилизации углекислого газа растениями, повышая эффективность фотосинтеза, участвует в процессе восстановления нитратов и ассимиляции азота растениями.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК марганца составляет 0,1 мг/л. Избыток марганца способствует частому развитию пневмоний, оказывает нейротоксическое действие (снижается проводимость нервного импульса, как следствие повышается утомляемость, сонливость, снижается быстрота реакции, работоспособность, появляются головокружение, депрессивные, подавленные состояния). В тяжелых случаях может возникать так называемый марганцевый паркинсонизм. Особенно опасны отравления марганцем у детей и эмбрионов (когда женщина беременна) - приводит к идиотии. Из 100 детей, матери которых во время беременности подверглись отравлению марганцем, 96-98 рождаются идиотами. Однако в разумных дозах марганец полезен. Марганец (Mn) принимает участие в некоторых окислительно-восстановительных процессах, входя в состав ферментов (пероксида и аминофенолоксидазы) в качестве активного центра: активно влияет на обмен белков, углеводов и жиров. В присутствии Mn организм полнее использует жиры, усиливает действие инсулина, способствует поддержанию определенного уровня холестерина в крови.

Фториды (F^-)

Важным источником ионов фтора в природных водах служат продукты разрушения горных пород, в состав которых входит апатит Ca₅(PO₄)₃F, турмалин, фосфорит, флюорит. Например, за счет присутствия флюорита в породах каменноугольных отложений Подмосковной впадины, концентрация ионов фтора в подземной воде некоторых районов Подмосковья обнаруживается до 3 мг/л.
В отличие от других галогенов (Cl, Br, I) фтор характеризуется чрезвычайно низкой растворимостью своих кальциевых солей, поэтому содержание фтора в подземных водах лимитируется содержанием кальция. Вследствие высокой растворимости NaF переход фтора из пород в подземные воды и его содержание зависят от соотношения Na/Ca – чем больше это соотношение, тем больше фтора может содержаться в этих водах. В морской воде фтора содержится около 1 мг/л. В некоторых источниках (Аахен) его концентрация равна 31,8 мг/л.

Фтор может добавляться в питьевую воду в целях профилактики заболеваний кариесом. Однако, избыточные количества фтора оказывают вредное воздействие на человека, вызывает разрушение зубной эмали. Кроме того, избыток фтора в организме осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК фторидов составляет 1,5 мг/л.

Ртуть (Нg, суммарно)

Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей. Неорганические соединения ртути (в первую очередь катионы Hg+) реагируют с SH–группами белков, а также с карбоксильными и аминными группами тканевых белков, образуя прочные комплексные соединения – металлопротеиды. В результате возникают глубокие нарушения функций центральной нервной системы, особенно высших ее отделов. Из органических соединений ртути наибольшее значение играет метилртуть, которая хорошо растворима в липидных тканях и быстро проникает в жизненно важные органы, и в том числе в мозг.

В результате возникают изменения в вегетативной нервной системе, периферических нервных образованиях, в сердце, сосудах, кроветворных органах, печени, нарушения в иммунобиологическом состоянии организма. Соединения ртути обладают также эмбриотоксическим действиям (приводят к нарушению плода у беременных). ПДК – 0,0005 мг/л. Лимитирующий показатель вредности санитарно- токсикологический.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК ртути составляет 0,0005 мг/л.

Сульфиды и сероводород

Встречаются в основном в подземных источниках воды, образуясь в результате процессов восстановления и разложения некоторых минеральных солей (гипса, серного колчедана др.). В поверхностных водах сероводород почти не встречается, т.к. легко окисляется. Появление его в поверхностных источниках может быть следствием протекания гнилостных процессов или сброса неочищенных сточных вод. Наличие в воде сероводорода придает ей неприятный запах, интенсифицирует процесс коррозии трубопроводов и вызывает их зарастание вследствие развития серобактерий.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК сероводорода составляет 0,003 мг/л.

Кремний

Кремний является постоянным компонентом химического состава природных вод. Кремний в природе представлен в виде кислородосодержащих силикатов: от простого кварца (SiO₂) до сложных соединений, содержащих щелочные и щёлочноземельные металлы: полевой шпат (K₂О×AI₂О₃×6SiO₂), каолин (AI₂О₃×2SiО₂×2H₂O).

Этому способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость последних объясняет малое содержание кремния в воде. Главным источником соединений кремния в природных водах являются процессы химического выветривания и растворения кремнийсодержащих минералов, например алюмосиликатов:

KMg₃AlSi₃O₁₀(OH)₂+7H₂CO₃+½H₂O → K⁺+3Mg²⁺+7HCO_3-^-+2H₄SiO₄+½Al₂Si₂O₅(OH)₄.

Значительные количества кремния поступают в природные воды в процессе отмирания наземных и водных растительных организмов, с атмосферными осадками, а также со сточными водами предприятий, производящих керамические, цементные, стекольные изделия, силикатные краски, вяжущие материалы, кремнийорганический каучук и т.д. Формы соединений, в которых находится кремний в растворе, весьма многообразны и меняются в зависимости от минерализации, состава воды и значений рН. Часть кремния находится в истинно растворенном состоянии в виде кремниевой кислоты и поликремниевых кислот:

H₄SiO₄ ↔ H + H₃SiO₄^-.

Поликремниевые кислоты имеют переменный состав типа mSiO₂•nH₂O,

где m и n — целые числа.

Кроме того, кремний содержится в природных водах в виде коллоидов типа xSiO₂•yH₂O.
Сравнительно малое содержание кремния в поверхностных водах, указывает на наличие в воде процессов, уменьшающих его концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:

Na₄SiO₄ + 4CO₂ + 4H₂O = H₄SiO₄ + 4NaHCO₃.

Неустойчивости кремния в растворе способствует и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель. Режим кремния в поверхностных водах до некоторой степени сходен с режимом соединений азота и фосфора, однако кремний никогда не лимитирует развитие растительности. Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК кремния равна 10 мг/л. Концентрация кремния в речных водах колеблется обычно от 1 до 20 мг/л; в подземных водах его концентрация может возрастать до 20..30 мг/л, а в горячих термальных водах содержание кремния может достигать сотен миллиграммов в 1 л.

Калий (К+)

Калий необходим для нормальной жизнедеятельности организма, т.к. является компонентом калий-натриевого насоса. Калий-натриевый насос - это структура на мембране каждой клетки, благодаря которой в клетку проникают вещества из межклеточной жидкости, а из клетки выводятся продукты ее жизнедеятельности. Кроме того, особенно важен калий для сердечно-сосудистой деятельности, т.к. он нормализует давление крови и работу сердца.

Содержание Калия не нормируется.

Кадмий (Cd, суммарно)

Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма – органы дыхания и желудочно–кишечный тракт, центральную и периферическую нервные системы. Механизм действия соединений кадмия заключается в угнетении активности ряда ферментов, нарушении фосфорно–кальциевого обмена, нарушении метаболизма микроэлементов (Zn, Cu, Fe, Mn, Se).

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 (Питьевая вода.) ПДК кадмия составляет 0,001 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический.

Микроорганизмы и паразиты

В природных водах присутствуют и размножаются микроорганизмы, водоросли, ракообразные, рыбы, земноводные, в толще воды развиваются личинки комара, на поверхности воды живут водомерки. Многие из этих организмов, называемых гидробионтами, являются опасными для здоровья и жизни человека, например, огромные морские хищники - акулы - или небольшие хищные рыбы пираньи.
Но и небольшие микроорганизмы - микробы - могут нанести непоправимый вред здоровью человека.

В воде могут присутствовать также микроскопические личинки паразитов, амебные цисты, бактерии в споровой форме и другие патогенные формы. Основным источником патогенных организмов, распространяемых водой, являются фекалии человека и теплокровных животных, а также фекально-бытовые сточные воды. Фекальные загрязнения воды ухудшают ее качество, а патогенные микроорганизмы, попадающие в воду с выделениями теплокровных животных и человека, могут явиться причиной заболеваемости кишечными инфекциями.
Среди патогенных микроорганизмов чаще других об¬наруживаются в загрязненных водах сальмонеллы, шигеллы, пастереллы, вибрионы, микобактерии, энтеровирусы человека, амебные цисты, личинки нематод, энтеропатогенные Е.Соli и др.

Бактерии - одноклеточные микроорганизмы, способные к самовоспроизводству. Они подразделяются на две большие подгруппы: аэробные (потребляющие в процессе жизнедеятельности кислород) и анаэробные (не потребляющие кислород). Бактерии могут существовать в широком диапазоне условий окружающей среды. Некоторые, например, pseudomonada, могут процветать в среде с очень низким уровнем питательных веществ.

Эти бактерии являются производителями слизи: главной проблемы для систем подготовки воды. Другие жестко прикрепляются к поверхности, выделяют студенистое вещество. Оно служит защитой бактерий от химических дезинфицирующих средств.
Этот агломерат бактерий и защищающего их студенистого вещества иногда называют биопленкой. Концентрация бактерий в воде обычно выражается в терминах колониеобразующих единиц (cfu) на миллилитр (ml). Колониеобразующая единица - это жизнеспособная бактерия, которая, воспроизводясь, может сформировать целую колонию, если она инкубируется в питательной среде.

Вирусы - внеклеточная форма жизни, состоящая из РНК или ДНК в протеиновой оболочке. Размножается только после проникновения в живую клетку, имеет очень маленькие размеры от 15 до 350 нанометров.

Сальмонеллы (Salmonellа) - это представители рода сальмонелл, в который входит около 2000 различных грамм-отрицательных микроорганизмов, похожих друг на друга по внешнему строению и воздействию на человека. Эти микробы вызывают заболевание желудочно-кишечного тракта, называемое сальмонеллезом. В воде сальмонеллы сохраняются до 120 дней; эффективно дезинфицируются раствором хлорной извести.

Шигеллы (Shigеllа) - это дизентерийные микробы, поражающие от¬дел толстой кишки человека; вызывают дизентерию (шигеллез) с признаками интоксикации. Они хорошо сохраняются в воде и даже могут размножаться. На них губительно действуют высокая температура и дезинфицирующие средства.

Амебные цисты, попадающие в организм человека с загрязненной водой, вызывают амебиаз - болезнь кишечника, иногда осложняющаяся абсцессами печени, головного мозга, поражением Легких и др гих органов. Возбудитель относится к классу простейших (Епtamoeba histolitiса), размер ее может достигать 20-30 мкм.

Лептоспироз - острое инфекционное заболевание, передающееся человеку от животных. Однако возможен и водный путь передачи инфекции. Болезнь характеризуется поражением почек, печени, центральной нервной системы и мышц, сопровождается интоксикацией и лихорадкой. Возбудителем лептоспироза являются лептоспиры (Leptospirа interrogans) - спиралевидные организмы, приспособлений для жизни в воде.
Ежегодная заболеваемость во всем мире составляет 1%, но при контакте с домашними животными вероятность заболеваемости увеличивается. В литературе описана вспышка лептоспироза у 50 человек, которые купались в реке, протекавшей вблизи пастбища для коров и свиней.

В этом ряду инфекционных заболеваний, водный путь возникновения которых является наиболее вероятным, необходимо отметить холеру. Эта болезнь в XIX в. вызывала в Европе пандемии. Заболевания холерой были отмечены в 1947 г. в Египте, в 1964 г. - в Иране и Ираке, в 1970 г. - в Советском Союзе (Одесса и Астрахань). В последние годы вибрионы холеры были обнаружены в водоемах Москвы, Санкт-Петербурга, Тамбова.
Не исключена возможность их появления и в водоемах других регионов России. Распространение холеры связано с нарушениями карантинов, усилением миграции людей - носителей холерного вибриона, а также с перевозкой загрязненных продуктов и воды кораблями и самолетами. Возбудителем холеры являются вибрионы (Vibrio cholerae). Холерный вибрион хорошо переносит низкие температуры и даже замораживание.

При кипячении погибает через 1 мин, при воздействии дезинфицирующих средств - почти сразу. Некоторые вирусы человека могут передаваться через воду при ее загрязнении фекалиями. К ним относятся возбудители инфекционного гепатита, полиомиелита, энтеровирусных инфекций, вызывающих поражение центральной нервной системы, мышц, миокарда и кожных покровов. Возможность передачи вирусов водным путем можно продемонстрировать на примере вирусного гепатита.
Самая большая вспышка вирусного гепатита отмечена в 1955-1956 гг. в Дели. Несколько тысяч человек были инфицированы в результате употребления воды из централизованной системы водоснабжения. Дело в том, что в природной воде присутствовали возбудители кишечных заболеваний, вирус гепатита и другие патогенные формы. Обработка воды хлорированием привела к подавлению возбудителей кишечных инфекций, но не смогла подавить вирус гепатита.
Этому препятствовала высокая мутность исходной воды: вирусы как бы прятались во взвешенных частицах. В 1996 г. инфицирование вирусным гепатитом при употреблении питьевой воды было отмечено и в России.