Текст книги "Фильтры для очистки воды"

Биогенные элементы

Вопросы контроля качества воды внесли в понятие биогенных элементов широкий смысл: к ним относят соединения (точнее, компоненты воды), которые, во-первых, являются продуктами жизнедеятельности различных организмов; во-вторых, являются «строительным материалом» для живых организмов. В первую очередь к ним относятся соединения азота (нитраты, нитриты, органические и неорганические аммонийные соединения), фосфора (ортофосфаты, полифосфаты, органические эфиры фосфорной кислоты и др.).

Соединения серы интересны в этой связи, в меньшей степени, так как сульфаты уже рассматривали в аспекте компонента минерального состава воды, а сульфиды и гидросульфиты, если присутствуют в природных водах, то в очень малых концентрациях и могут быть обнаружены по запаху.

Нитраты являются солями азотной кислоты. Повышенное содержание нитратов в воде может служить индикатором загрязнения водоема в результате распространения фекальных либо химических загрязнений (сельскохозяйственных, промышленных). Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 для питьевой воды ПДК нитратов составляет 45 мг/л. Питьевая вода и продукты питания, содержащие повышенное количество нитратов, могут вызывать заболевания, в первую очередь у младенцев (так называемая метгемоглобинемия), а также людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Допустимое суточное потребление по рекомендациям ВОЗ – 5 мг/кг массы. В этом случае особенно опасны грунтовые воды и питаемые ими колодцы, поскольку в открытых водоемах нитраты частично потребляются водными растениями. Вместе с тем, растения не так чувствительны к увеличению содержания в воде азота, как фосфора.

Фосфор является необходимым элементом для жизни, однако его избыток приводит к ускоренной эвтрофикации водоемов. Большие количества фосфора могут попадать в водоемы в результате естественных и антропогенных процессов – поверхностной эрозии почв, неправильного или избыточного применения минеральных удобрений и др.

ПДК полифосфатов в воде водоемов составляет 3,5 мг/л в пересчете на фосфат-ион РО₄^3-, лимитирующий показатель вредности – органолептический.

БПК – показатель качества воды, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ. Природными источниками органических веществ являются разрушающиеся останки организмов растительного и животного происхождения, как живших в воде, так и попавших в водоем с листвы, по воздуху, с берегов и т. п. Кроме природных, существуют также техногенные источники органических веществ.

В естественных условиях находящиеся в воде органические вещества разрушаются бактериями с образованием двуокиси углерода. При этом на окисление потребляется растворенный в воде кислород. Таким образом, в процессе биохимического окисления органических веществ в воде происходит уменьшение концентрации кислорода, и эта убыль косвенно является мерой содержания в воде органических веществ.

Чаще определяют биохимическое потребление кислорода за пять суток – БПК5, и, как правило, этот показатель в поверхностных водах находится в пределах 0,5–4,0 мг/л.

Таблица 12. Характеристика вод по БПК5

Особенностью биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий ему процесс нитрификации (окисление азотсодержащих соединений нитрофицирующими бактериями), искажающий характер потребления кислорода.

Норматив на БПК для водоемов хозяйственно-питьевого водопользования – 3 мг/л, для водоемов культурно-бытового водопользования – 6 мг/л.

Катионы аммония являются продуктом микробиологического разложения белков животного и растительного происхождения. Образовавшийся таким образом аммоний вновь вовлекается в процесс синтеза белков. По этой причине аммоний и его соединения в небольших концентрациях обычно присутствуют в природных водах.

Аммонийные соединения в больших количествах входят в состав минеральных и органических удобрений, кроме того, аммонийные соединения в значительных количествах присутствуют в нечистотах (фекалиях). По этим причинам повышенное содержание аммонийного азота в поверхностных водах обычно является признаком хозяйственно-фекальных загрязнений.

ПДК аммиака и ионов аммония в воде водоемов составляет 2,6 мг/л. Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 ПДК аммония в питьевой воде 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.

Нитритами называются соли азотистой кислоты. Нитрит-анионы являются промежуточными продуктами биологического разложения азотсодержащих органических соединений. Благодаря способности превращаться в нитраты, нитриты, как правило, отсутствуют в поверхностных водах. ПДК нитритов (по NО^2-) в воде водоемов составляет 3,3 мг/л, для питьевой воды – 2,0 мг/л.

Фтор в виде фторидов может содержаться в природных и грунтовых водах. Избыток фтора в организме вызывают разрушение зубной эмали, осаждает кальций, что приводит к нарушениям кальциевого и фосфорного обмена. По этим причинам определение фтора в питьевой воде, а также грунтовых водах (например, воде колодцев и артезианских скважин) и воде водоемов хозяйственно-питьевого назначения, является очень важным. ПДК фтора в питьевой воде для разных климатических районов составляет от 0,7 до 1,5 мг/л.

Металлы

Железо – один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом.

В природной воде железо содержится в виде соединений, в которых железо может быть двух– или трехвалентным. В свою очередь, соединения железа могут образовывать истинные или коллоидные растворы. На воздухе двухвалентное железо быстро окисляется до трехвалентного, растворы которого имеют бурую окраску.

Таким образом, поскольку соединения железа в воде могут существовать в различных формах, точные результаты могут быть получены только при определении суммарного железа во всех его формах, так называемого «общего железа», хотя иногда возникает необходимость определить железо в его индивидуальных формах.

Двухвалентное железо (Fe²⁺) почти всегда находится в воде в растворенном состоянии, хотя возможны случаи при определенных уровнях рН, когда гидроксид железа (II) выпадает в осадок. Реакция окисления Fe²⁺ ↔ Fe³⁺ широко распространена в природе. Трехвалентное железо (Fe³⁺) – гидроксид железа (III), Fe(OH)₃ – нерастворим в воде. 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.

Железобактерии встречаются практически везде. Их «визитной карточкой» можно считать ржавую слизь, покрывающую трубы водопровода. Некоторые виды бактерий (например, Gallionella ferruginea, вид стебельчатых, лентоподобных бактерий) «питаются» растворенным железом в процессе своей жизнедеятельности. При этом происходит преобразование двухвалентного железа в трехвалентное, которое сохраняется в желеобразной оболочке вокруг бактерии, при отмирании железобактерии откладываются в виде вышеупомянутой слизи.

Коллоидное железо – это нерастворимые, невидимые глазу частицы размером менее 1 микрона. Из-за малого размера их очень сложно удалить фильтрованием с помощью гранулированных фильтрующих материалов. 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 и препятствующего их укрупнению, создают в воде суспензии, которые не выпадают в осадок, а находятся во взвешенном состоянии. Коллоидное железо характерно для поверхностных вод (коллоиды Fe(OH)₃).

Некоторые органические молекулы способны связывать железо в сложные растворимые комплексы, называемые хелатами. Так, прекрасными хелатообразующими агентами являются фульво– и гуминовые кислоты, играющие важную роль в почвенном ионообмене.

Основной формой железа в поверхностных водах являются комплексные соединения трехвалентных ионов железа с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом с солями гуминовых кислот – гуматами. В болотных водах, где много гумусовых веществ, всегда много железа. При рН = 8,0 основной формой железа в воде является гидроксид железа Fe(OH)₃, находящаяся во взвешенной коллоидной форме. В подземных водах железо присутствует в основном в растворенном двухвалентном виде. Трехвалентное железо при определенных условиях также может присутствовать в воде в растворенном виде как в форме неорганических солей (например, сульфатов), так и в составе растворимых органических комплексов.

Согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 содержание железа не должно превышать 0,3 мг/л (а по нормам Европейского сообщества даже 0,2 мг/л). При уровне установленного ВОЗ (Всемирной организацией здравоохранения) переносимого суточного потребления (ПСП) железа, равном 0,8 мг/кг массы тела человека, безопасное для здоровья суммарное содержание железа в воде составляет 2 мг/л. Избыток железа, в первую очередь, оказывает токсическое влияние на печень, селезенку, головной мозг; может усиливать протекание воспалительных процессов.

Дефицит железа в организме приводит к анемии, патологиям сердечной мышцы и скелетных мышц, а также может быть причиной снижения иммунитета. Железо незаменимо в процессах кроветворения и внутриклеточного обмена.

Понятие «тяжелые металлы» не относится к строго определенным. Разные авторы в составе группы тяжелых металлов указывают разные химические элементы. В экологических публикациях в эту группу включают около 40 элементов с атомной массой более 50 атомных единиц.

Н. Ф. Реймерс относит к тяжелым металлы с плотностью более 8 г/см³, выделяя при этом подгруппу благородных металлов. Таким образом, к собственно «тяжелым» отнесены медь, никель, кадмий, кобальт, висмут, ртуть, свинец.

Группа специалистов, работающая под патронажем Европейской экономической комиссии ООН и занимающаяся мониторингом выбросов в окружающую природную среду тяжелых металлов, включает в эту группу также цинк, мышьяк, селен, сурьму.

Есть и другие классификации. Тяжелые металлы по характеру биологического воздействия можно подразделить на токсиканты и микроэлементы, имеющие принципиально различный характер влияния на живые организмы.

Как видно из рис. 1, токсиканты оказывают отрицательное воздействие на организмы при любой концентрации, в то время как микроэлементы имеют область недостаточности, вызывающей отрицательный эффект (менее С₁), и область необходимых для жизни концентраций, при превышении которых снова возникает отрицательный эффект (более С₂). Типичными токсикантами являются: кадмий, свинец, ртуть; микроэлементами – марганец, медь, кобальт.

Медь. Медь является микроэлементом, содержится в организме человека, главным образом, в виде комплексных органических соединений и играет важную роль в процессах кроветворения. Отравления соединениями меди могут приводить к расстройствам нервной системы, нарушению функций печени и почек и др. ПДК меди в воде водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения составляет 1,0 мг/л, лимитирующий показатель вредности – органолептический.

Цинк. Цинк является микроэлементом и входит в состав некоторых ферментов. Отрицательное воздействие соединений цинка может выражаться в ослаблении организма, повышенной заболеваемости, астмоподобных явлениях и др. ПДК цинка в воде водоемов составляет 1,0 мг/л, лимитирующий показатель вредности – общесанитарный.

Кадмий. Соединения кадмия очень ядовиты. Действуют на многие системы организма – органы дыхания и желудочно-кишечный тракт, центральную и периферическую нервные системы. ПДК кадмия в воде водоемов составляет 0,001 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический.

Ртуть. Ртуть относится к ультрамикроэлементам и постоянно присутствует в организме, поступая с пищей. Соединения ртути вызывают глубокие нарушения функций центральной нервной системы, сердца, сосудов, нарушения иммунной системы организма и другие. ПДК ртути в воде водоемов составляет 0,0005 мг/л, лимитирующий показатель вредности – санитарно-токсикологический.

Свинец. Соединения свинца – яды, действующие на все живое, но вызывающие изменения особенно в нервной системе, крови и сосудах. Органические соединения свинца (тетраметилсвинец, тетраэтилсвинец) – сильные нервные яды, являются активными ингибиторами обменных процессов. Для всех соединений свинца характерно кумулятивное действие. ПДК свинца в воде водоемов составляет 0,03 мг/л, лимитирующий показатель – санитарно-токсикологический.

Рис. 1. Характер эффекта, оказываемого элементом на организмы, в зависимости от его концентрации в воде: а – токсиканты, b – микроэлементы.

Органические вещества

Спектр органических примесей очень широк:

• группа растворенных примесей:

• гуминовые кислоты и их соли;

• гуматы натрия, калия, аммония;

• некоторые примеси промышленного происхождения;

• часть аминокислот и белков;

• группа нерастворенных примесей:

• фульвокислоты (соли) и гуминовые кислоты и их соли;

• гуматы кальция, магния, железа;

• жиры различного происхождения;

• частицы различного происхождения, в том числе микроорганизмы.

Содержание органических веществ в воде оценивается по методикам определения окисляемости воды, содержания органического углерода, биохимической потребности в кислороде, а также поглощения в ультрафиолетовой области.

Величина, характеризующая содержание в воде органических и минеральных веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях, называется окисляемостью. Существует несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная, иодатная, цериевая (методики определения двух последних применяются редко).

Окислители могут действовать и на неорганические примеси, например, на ионы Fe²⁺, S^2-, NO^-2, но соотношение между этими ионами и органическими примесями в поверхностных водах существенно сдвинуто в сторону органических примесей, то есть «органики» в решающей степени больше.

В подземных водах (артезианских) это соотношение – обратное, то есть органических примесей гораздо меньше, чем указанных ионов. Практически их совсем нет. К тому же неорганические примеси могут определяться непосредственно индивидуально.

Для природных малозагрязненных вод рекомендовано определять перманганатную окисляемость (перманганатный индекс); в более загрязненных водах определяют, как правило, бихроматную окисляемость (ХПК).

Окисляемость перманганатная измеряется мгО/л, если учитывается масса ионов кислорода в составе перманганата калия, пошедшего на окисление «органики», или мг KMnО₄/л, если оценивается количество перманганата калия, пошедшего на окисление «органики» – табл. 13.

Таблица 13. Характеристика вод по перманганатной окисляемости

Интегральные показатели качества вод – индексы качества

Каждый из показателей качества воды в отдельности хотя и несет информацию о качестве воды, все же не может служить мерой качества воды, т. к. не позволяет судить о значениях других показателей. Вместе с тем, результатом оценки качества воды должны быть некоторые интегральные показатели, которые охватывали бы основные показатели качества воды (либо те из них, по которым зафиксировано неблагополучие).

В простейшем случае, при наличии результатов по нескольким оцениваемым показателям, может быть рассчитана сумма приведенных концентраций компонентов, т. е. отношение их фактических концентраций к ПДК.

Сумма приведенных концентраций может рассчитываться только для химических веществ с одинаковым лимитирующим показателем вредности – органолептическим и санитарно-токсикологическим.

При наличии результатов анализов по достаточному количеству показателей можно определять классы качества воды, которые являются интегральной характеристикой загрязненности поверхностных вод. Классы качества определяются по индексу загрязнения воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма:

где С_ί – фактическая средняя концентрация ί-й примеси за контролируемый период, мг/л;

ПДК_ί – предел допускаемой концентрации ί-й примеси, мг/л; N – количество примесей. Должны анализироваться не менее 7 примесей, которые в данном водоисточнике считаются наиболее значимыми по санитарно-токсикологическому признаку.

Значение ИЗВ рассчитывают для каждого пункта отбора проб (створа). Далее по таблице 15, в зависимости от значения ИЗВ, определяют класс качества воды.

Таблица 14. Характеристики интегральной оценки качества воды

В число 7 основных, так называемых «лимитируемых» показателей, при расчете ИЗВ в обязательном порядке входят: концентрация растворенного кислорода и значение БПК5, а также значения еще четырех показателей, являющихся для данного водоема (воды) наиболее неблагополучными или имеющих наибольшие приведенные концентрации.

Для расчета ИЗВ показатели выбираются независимо от лимитирующего признака вредности, однако при равенстве приведенных концентраций предпочтение отдается веществам, имеющим санитарно-токсикологический признак вредности (как правило, такие вещества обладают относительно большей вредностью).

Задачи интегральной оценки качества воды практически совпадают с задачами гидрохимического мониторинга, т. к. для окончательного вывода о классе качества воды необходимы результаты анализов по целому ряду показателей в течение продолжительного периода.

Уровень загрязненности и класс качества водных объектов иногда устанавливают в зависимости от микробиологических показателей. Одна из классификаций приведена в таблице 14.

Таблица 15. Оценка качества вод по микробиологическим показателям

Нормативно-технические документы водно-санитарного законодательства

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.

Существует большая вероятность того, что даже вода из близко расположенных друг к другу источников будет значительно отличаться по качеству.

Промышленные предприятия, здравницы, коммерческие компании, больницы и прочие лечебные учреждения, сельские жители и жители мегаполисов – все предъявляют свои, особые, требования к качеству воды.

Именно поэтому фильтрация воды необходима тогда, когда качество воды не отвечает требованиям потребителей.

Требования к качеству и безопасности воды установлены в следующих основных нормативных документах, перечисленных в таблице.

Существуют также технологические нормативы и требования, связанные с проектированием систем водоподготовки:

Для обеспечения требований, предъявляемых к очищенной воде, выбору метода очистки и оборудования, обязательно нужно учитывать три важнейших параметра, а именно:

• происхождение и состав исходной воды – данные, получаемые в результате химического анализа воды. Анализ воды позволяет определить, от каких загрязняющих компонентов следует (или желательно) очистить воду;

• конечные цели использования воды в каждом конкретном случае (какая именно степень очистки необходима в конкретном случае);

• требуемое потребителю количество очищенной воды (производительность системы очистки).

Водопотребление

Водопотребление является важнейшим показателем, который используется при учете расхода воды. Данный параметр необходим на стадии проектирования систем водоснабжения и при их дальнейшей эксплуатации.

В процессе проектирования систем водоснабжения для различных объектов и целей, самым главным вопросом является расчет максимального количества необходимой воды должного качества. При этом учитываются различные показатели и критерии, из которых складывается общая картина необходимого количества (расхода) воды.

Централизованная система водоснабжения в России построена таким образом, что вся поступающая в дом или квартиру вода является водой питьевых стандартов. Поэтому и вода в бачке вашего унитаза является, по сути, питьевой.

При проектировании индивидуальной системы водоснабжения правильнее разделять воду на три потока по назначению. Первый поток – это вода для хозяйственных нужд (техническая), второй – вода санитарного назначения и третий – вода для питьевых нужд.

Во всех трех случаях требования к качеству воды будут разные, т. к. если всю воду довести до стандарта – питьевая, – то это потребует больших финансовых затрат.

Получение воды для хозяйственных нужд технически не сложно. Из нее нужно убрать механические взвеси и понизить концентрацию вредных веществ до разумных (приемлемых) значений. Эту воду можно использовать для полива растений, слива в системах канализации и других бытовых целях. Система очистки воды при этом будет простой и дешевой. Для подготовки воды санитарного назначения может потребоваться многостадийная очистка воды (умягчение, обезжелезивание, фильтрация на фильтрах тонкой очистки, улучшение органолептических свойств воды – запаха, цветности и т. д.). Обработанную на этой стадии воду можно применять в системах горячего водоснабжения, подавать в посудомоечные и стиральные машины, использовать для гигиенических процедур.

Последней, самой ответственной частью системы очистки воды является получение питьевой воды. Для этого применяют различные фильтры тонкой очистки, системы многоступенчатой очистки, включая системы с технологией обратного осмоса. При расчетах необходимого расхода желательно руководствоваться СНиП 2.04.01–85 и, в зависимости от благоустройства и оснащения жилья бытовыми приборами, можно принять величину социальной потребности – 150–200 л/сутки на человека. В домах с повышенным уровнем комфортности цифра возрастает до 250–400 л/сутки на человека. Количество питьевой воды, рекомендуемой для применения в расчетах – 5 литров на человека в сутки. Потребление технической воды индивидуально, т. к. ее используют для мойки машин, садового инвентаря, дорожек, полива растений и т. д., и потребность в этом у всех разная. Рекомендуем принять для расчета среднее значение – 50 литров хозяйственно-бытовой воды в сутки.

Для подбора систем водоподготовки важнейшим параметром является пиковое потребление воды (л/мин) и суточное потребление воды (л/сутки). При расчете пикового потребления необходимо учитывать вероятность одновременного открытия нескольких кранов. Например, если даже в доме проживает семья из 5 человек, то вряд ли они все одновременно будут принимать душ или мыть руки.

Рассчитаем максимальное единовременное потребление санитарной воды, в л/мин по формуле:

10 л/мин × ½ от количества проживающих людей.

Таким образом, для семьи из 5 человек получается:

10 л/мин × ½ × 5 чел = 25 л/мин,

где 10 л/мин – средний расход воды на один сантехприбор.

Параметр пикового потребления воды является главным для подбора производительности системы очистки. Неправильно подобранное по производительности оборудование не обеспечит нужной степени очистки и может привести к проскоку неочищенной воды.

Расчет суточного потребления санитарной воды производится, исходя из количества проживающих и средней нормы расхода на одного потребителя.

Для семьи из 5 человек:

5 × 300 л/сутки = 1500 л/сутки, где 300 л/сутки – норма расхода потребителя См. табл. 17: жилые дома квартирного типа с водопроводом, канализацией и ваннами длиной от 1500 до 1700 мм, оборудованными душами).

Часто возникает вопрос о соотношении холодной и горячей воды при суточном расходе. Для упрощенных расчетов можно принять следующие соотношения: 60 % – холодной воды, 40 % – горячей.

Таким образом, при подборе оборудования для водоподготовки можно использовать следующие параметры: среднесуточное потребление на человека – 300 л, из них: питьевой – 5 л, холодной санитарной – 145 л, горячей – 100 л, хозяйственно-бытовой (технической) – 50 л.

Вот почему существует три ступени фильтрации:

• первая – фильтрация всей воды – бытовой, санитарной и питьевой;

• вторая – санитарной и питьевой;

• третья – только питьевой.

Такое разделение позволяет экономно и наиболее правильно подобрать систему водоподготовки для вашего дома.

Конечно, приведенные расчеты и рекомендации потребления технической и санитарной воды являются только оценочными и не учитывают специфику каждого человека в отдельности – у одного есть сад, у другого – огород, кто-то имеет в своем доме одну душевую кабину, а кто-то – джакузи и баню.

Но в качестве ориентира для расчета и подбора оборудования для подготовки воды эти данные вполне можно использовать.

СНиП 2.04.01–85: данные по расходу воды санитарными приборами указаны в таблице 16, данные по нормам расхода воды потребителем указаны в таблице 17.

Таблица 16. Расходы воды и стоков санитарными приборами

Таблица 17. Нормы расхода воды потребителем