Текст книги "Фильтры для очистки воды"

Е. А. Хохрякова
Фильтры для очистки воды

Введение

Вода, которую используют люди, живущие в самых различных условиях, поступает из многих источников. Это могут быть реки и озера, болота, другие водотоки и водоемы, колодцы и артезианские скважины. Соответственно, вода, добываемая из разных по происхождению источников, различается по своим качествам и свойствам.

Качество воды, потребляемой человеком, должно соответствовать определенным требованиям – она должна быть безопасной для здоровья человека и иметь оптимальный химический состав. В воде практически всегда присутствуют микроорганизмы и хорошо растворяются многие природные минералы и химические вещества, синтезированные человеком. Поэтому природные воды помимо огромного количества живых микроорганизмов, содержат минеральные и органические вещества природного и антропогенного происхождения.

В дополнение к этому масштабное загрязнение окружающей природной среды в результате деятельности человека привело к тому, что значительная часть природных вод оказалась загрязненной настолько, что употребление этой воды без очистки оказалось вредным для здоровья человека.

Вода, добываемая из разных источников, поступает на очистные сооружения, а далее в распределительные водопроводные сети. При этом значительная часть распределительных сетей в нашей стране настолько низкого качества, что они сами становятся источником загрязнения, т. е. питьевая вода, достаточно хорошо очищенная на городских очистных сооружениях, загрязняется при транспортировании ее к потребителю.

Такое вторичное загрязнение привело к тому, что основной мировой тенденцией в подготовке питьевой воды, стала ее доочистка с помощью фильтров малой производительности.

В настоящее время существует огромное количество фильтров и других устройств очистки воды. Потребность в воде у всех разная, поэтому существуют фильтры и фильтровальные установки, различающиеся по производительности – от нескольких литров до десятков и сотен кубометров в час.

Вода поступает к потребителям из различных источников, и эта причина тоже влияет на конечный выбор устройства для ее очистки.

Конечный результат зависит от достоверности сведений о составе воды (на основании химического анализа), квалифицированного подбора оборудования, правильно выполненного монтажа и запуска оборудования в эксплуатацию, от грамотного и своевременного обслуживания. В основном оно сводится к своевременному пополнению расходных реагентов и замене расходных материалов, например, таких, как сменные картриджи.

Главная задача этого издания – дать основные сведения, касающиеся состава природных вод из разных источников, дать краткую характеристику основным загрязняющим примесям и способам их удаления из воды.

Здесь даны начальные сведения об организации рационального водопотребления, сравнительный обзор нормативных документов, определяющих качество питьевой воды, принятых в России и за рубежом.

Значительная часть материала посвящена картриджным фильтрам, конструкциям их корпусов и различных сменных элементов, отличающихся по функциональному назначению: механических (разных конструкций), сорбционных, на основе угольных материалов, ионообменных и т. д. Дана информация по средствам и методам обеззараживания воды.

В конце книги приведены несколько типовых схем водоподготовки.

Происхождение воды

Источники получения питьевой воды в зависимости от водозабора подразделяют на две основные группы – подземные воды и поверхностные воды.

Подземные воды

Речь идет о водах, которые с помощью насоса поднимаются на поверхность из подземного пространства. Они могут залегать под землей в несколько слоев или так называемых ярусов, которые изолированы друг от друга и отделены хотя бы одним водонепроницаемым слоем от подрусловой воды. Пористые грунты (особенно пески) оказывают фильтрующее и, следовательно, очищающее действие, в отличие от трещиноватых горных пород. При длительном нахождении воды в пористых грунтах артезианская вода достигает средних температур почвы (8–12 °С) и свободна от микробов. Химический состав артезианской воды, как правило, является постоянным. Благодаря этим свойствам артезианская вода является особо предпочтительной для целей питьевого водоснабжения.

Эта вода добывается насосами из скважин, глубина которых соответствует отметкам дна ручья, реки или озера. Качество такой воды в значительной степени определяется поверхностной водой в самом водотоке, т. е. вода, добытая при помощи инфильтрационного водозабора, является тем более пригодной для питьевых целей, чем чище вода в самом ручье, реке или озере. При этом могут иметь место колебания ее температуры, запаха, химического состава.

Речь идет о подземной воде, самоизливающейся естественным путем на поверхность земли. Родниковая вода по своему составу испытывает сильные колебания не только в кратковременные периоды времени (дождь, засуха), но и по временам года (например, таяние снега).

Поверхностные воды

Речная вода сильнее всего подвергается загрязнению, поэтому в последнюю очередь пригодна для целей питьевого водоснабжения. Она загрязняется продуктами жизнедеятельности людей и животных. В еще большей степени загрязнение речных вод происходит поступающими сточными водами промышленных предприятий.

Способность реки к самоочищению может лишь частично справиться с этими загрязнениями. Подготовка речной воды для целей питьевого водоснабжения затрудняется из-за сильных колебаний загрязнения речной воды, как в количественном отношении, так и по своему составу.

Эта вода, даже добытая с больших глубин, крайне редко является безупречной в биологическом отношении и поэтому должна проходить специальную очистку до питьевых кондиций.

Речь идет о воде из небольших речек и ручьев, которые запружены в верхнем течении, где вода менее всего загрязнена. При выборе способа и объема необходимых мероприятий по водоподготовке решающим является то, насколько сильно эта вода загрязнена и насколько высока самоочищающая способность этого «хранилища питьевой воды».

Морская вода не может без обессоливания подаваться в сеть питьевого водоснабжения. Она добывается и проходит водоподготовку только у морского побережья и на островах, если нет возможности использовать другой источник водоснабжения.

Показатели качества воды и их определение. Влияние на здоровье человека

Под качеством природной воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01–77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производится оценка качества воды.

Органолептические показатели

Любое знакомство со свойствами воды начинается с определения органолептических показателей, т. е. таких, для определения которых мы пользуемся нашими органами чувств (зрением, обонянием, вкусом).

Органолептическая оценка приносит много прямой и косвенной информации о составе воды. К органолептическим характеристикам относятся: цветность, мутность (прозрачность), запах, вкус, привкус.

Мутность воды вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органическими веществами различного происхождения.

Качественное определение проводят описательно: мутность не заметна (отсутствует), слабая опалесценция, опалесценция, слабомутная, мутная и сильная муть. В России мутность чаще всего измеряют в нефелометрических единицах мутности НЕФ (NTU) для небольших значений в пределах 0–40 НЕФ (NTU), например для питьевой воды. В условиях большой мутности обычно применяется измерение единиц мутности по формазину (ЕМФ). Пределы измерений – 40–400 ЕМФ.

Наряду с мутностью, особенно в случаях, когда вода имеет незначительные окраску и мутность, и их определение затруднительно, пользуются показателем «прозрачность».

Мера прозрачности – 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 (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в сантиметрах (табл. 1).

Таблица 1. Характеристика вод по прозрачности

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.

По характеру запахи делят на две группы:

• естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.);

• искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод).

Интенсивность запаха оценивают по шестибалльной шкале – табл. 2.

Таблица 2. Характеристика вод по интенсивности запаха

Таблица 3. Запахи естественного происхождения

Запахи второй группы (искусственного происхождения) называют по определяющим запах веществам: хлорный, бензиновый и т. д.

Интенсивность вкуса и привкуса определяется также по 6-балльной шкале – табл. 4.

Таблица 4. Характеристика вод по интенсивности вкуса

Для питьевой воды допускаются значения показателей вкуса и привкуса не более 2 баллов.

Различают четыре вида вкусов: соленый, горький, сладкий, кислый.

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. Порог вкусового восприятия соленых растворов характеризуется такими концентрациями (в дистиллированной воде), мг/л: NaCl – 165; CaCl₂ – 470; MgCl₂ – 135; MnCl₂ – 1,8; FeCl₂ – 0,35; MgSO₄ – 250; CaSO₄ – 70; MnSO₄ – 15,7; FeSO₄ – 1,6; NaHCO₃ – 450. По силе воздействия на органы вкуса ионы некоторых металлов выстраиваются в следующие ряды: катионы: NH₄⁺ > Na⁺ > K⁺; Fe²⁺ > Mn²⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺; анионы: ОН^- > NO₃^- > Cl^- > HCO₃^- > SO₄^2-.

Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений, выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами.

Цветность природных вод обусловлена главным образом присутствием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа, колеблется от единиц до тысяч градусов – табл. 5.

Таблица 5. Характеристика вод по цветности

Взвешенные примеси

Взвешенные твердые примеси, присутствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспендированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды.

Содержание в воде взвешенных примесей, измеряемое в мг/л, дает представление о загрязненности воды частицами, в основн ом, условным диаметром более 10^-4 мм – табл. 6.

Таблица 6. Характеристика вод по содержанию взвешенных примесей

Водородный показатель (рН)

Величина pH воды – один из важнейших показателей качества вод для определения стабильности воды, ее накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. Если рассматривать воду без примесей, то физическая сущность рН может быть описана следующим образом.

Вода, хотя и весьма незначительно, диссоциирует на ионы водорода H⁺ и гидроксила ОН^- по уравнению:

Н₂О ↔ H⁺ + ОН^-

Произведение концентраций этих ионов, являющееся при данной температуре постоянной величиной, называется ионным произведением воды – К_W.

К_W = (H⁺) (ОН^-) =10^-14

Увеличение концентрации водородных ионов вызывает соответствующее уменьшение гидроксид-ионов и наоборот.

Для нейтральной среды [H⁺]=[ОН^-] = √10^-14 =10^-7 = моль/л.

Для оценки кислотности и щелочности среды удобно пользоваться не концентрацией водородных ионов, а водородным показателем рН. Он равен десятичному логарифму концентраций водородных ионов, взятому с обратным знаком.

pH = −lg[H⁺]

Если в воде растворено какое-либо вещество, которое само источник ионов H⁺ и ОН^- (примеры: кислоты НСl, H₂SO₄, HNO₃ и др.; щелочи: NaOH, KaOH, Ca(OH)₂ и др.), то концентрации ионов H⁺ и ОН^- не будут равны, но их произведение К_W будет постоянно.

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.

Воду в зависимости от рН рационально делить на семь групп (табл. 7).

Таблица 7. Классификация вод по рH

От величины pH зависит развитие и жизнедеятельность многих организмов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. Величина pH воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ.

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.

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.

Минерализация

Минерализация – суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ. 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 электропроводимость варьирует от 30 до 1500 мкСм/см. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40–50 мг/л до сотен г/кг (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводимость атмосферных осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/л составляет значения 10–120 мкСм/см.

Таблица 8. Характеристика вод по минерализации

Предел пресных вод – 1 г/л – установлен в связи с тем, что при минерализации более этого значения вкус воды неприятен – соленый или горько-соленый.

Предел – граница между солоноватыми и солеными водами – принят на том основании, что при минерализации около 25 г/л температура замерзания воды и температура наибольшей плотности морской воды совпадают, и при этом меняются некоторые свойства воды.

Граница 50 г/л между солеными водами и рассолами обусловлена тем, что соленость больше этого значения не бывает в морях; такая соленость характерна только для соленых озер и некоторых подземных вод.

Таблица 9. Характеристика вод по общей минерализации (наиболее распространенная градация)

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.

Жесткость

Жесткость воды обусловливается наличием в воде ионов кальция (Са²⁺), магния (Mg²⁺), стронция (Sr²⁺), бария (Ва²⁺), железа (Fe²⁺,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.

По стандарту ИСО 6107-1-8:1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется как способность воды образовывать пену с мылом. Содержание в питьевой воде кальция и магния играет важнейшую роль для человеческого организма. Недостаточность кальция в организме негативно сказывается на функции сердечной мышцы и на активности некоторых ферментов. А недостаток содержания кальция в крови ведет к понижению возбуждаемости нервной системы и, как следствие, к возникновению судорог. Кальций необходим для формирования костных тканей, в том числе зубов. Соли магния также необходимы человеку, поскольку входят в ряд жизненно важных ферментов. Дефицит магния приводит к коронарной болезни сердца; с другой стороны, повышенное содержание магния угнетающе действует на нервную систему, поражая двигательные нервные окончания.

По значению общей жесткости природные воды делят на группы – табл. 10.

Таблица 10. Классификация воды по жесткости

В естественных условиях ионы кальция и магния, определяющие 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, обусловленая ионами кальция (до 70 %); однако в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать 50–60 %. Жесткость морской воды и океанов значительно выше (десятки ммоль/л). Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего – в период половодья.

Росстандартом 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). 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:

Повышенная жесткость воды негативно отражается на здоровье человека. В быту появление накипи приводит к уменьшению срока службы водонагревателей, ухудшаются моющие свойства мыла и стиральных порошков, из-за горьковатого привкуса ухудшаются вкусовые свойства воды.

Порог вкуса для иона кальция лежит в диапазоне 2–6 ммоль/л, в зависимости от соответствующего аниона. Порог вкуса для магния и того ниже, наилучшие вкусовые свойства имеет вода с жесткостью 1,6–3,0 ммоль/л.

Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) не регламентирует величину жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говорится о том, что несмотря на выявленную статистическим путем зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, этих данных недостаточно для вывода о причинном характере этой связи. Однозначно не доказано и то, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.

Растворенный кислород

Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т. е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Содержание растворенного кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, минерализации воды и др. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. В зимний и летний периоды 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. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов – 6 мг/л (для ценных пород рыбы) и 4 мг/л (для остальных пород).

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

Концентрация кислорода в воде определяет направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Понижение содержания кислорода до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыбы в водоемах. Неблагоприятно сказывается на состоянии водных объектов и чрезмерное насыщение воды кислородом в результате процессов фотосинтеза, если это происходит в водоемах с застойной водой.

Содержание кислорода в водоемах с различной степенью загрязненности:

Таблица 11. Уровень загрязненности воды и класс качества