1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ

Самые высокие слова, какие можно сказать о воде, едва ли чрезмерны. Человек, как и все живое, в основном состоит из воды (эмбрион на 97 %, новорожденный — на 77 %, взрослый человек — на 60 %) и без воды существовать не может. Потеря 6—8 % воды вызывает плохое самочувствие, 10 % — необрати­мые изменения в организме, а 15—20 % — смерть. А между тем для поддержания жизнедеятельности организму нужно не так уж много: 2—2,5 литров в сутки. Хотя єа всю жизнь и набирает­ся около 75 тысяч литров, но все равно это лишь малая часть от того, сколько человек расходует на самом деле.

Структура потребления воды человечеством

По расчетам американских ученых, структура потребле­ния воды выглядит так:

питье и приготовление пищи — 5 %,

смывной бачок в туалете — 43 %,

ванна и душ — 34 %,

мытье посуды — 6 %,

стирка — 4 %,

уборка помещения — 3 %,

прочие нужды — 5 %.

Средние данные утверждают, что на хозяйственно-быто­вые нужды человеку нужно примерно в десять раз больше воды, чем только для питья и приготовления пищи.

Центральным водоснабжением на Земле пользуются 1,1 млрд. человек (280 л в сутки на человека), еще 0,8 млрд. — берут воду из колонок (100 л в сутки), а остальная часть че­ловечества использует только 50—60 л в сутки. Правду гово­рят, что развитие цивилизации можно измерять в литрах по­требляемой на душу населения воды... А ведь помимо быто­вых потребностей каждого человека, есть еще расход на нуж­ды промышленности и сельского хозяйства. Если и это под­считать, то, например, в США суммарное потребление воды достигает 7 000 л на человека в сутки!

Здесь мы оставим в стороне промышленные и сельскохо­зяйственные нужды и вернемся к тому, что потребляет чело­век. Требования к воде довольно жесткие. Закон гласит так: «Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и ра­диационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства», то есть цвет, вкус, запах, мутность. Естественно, природная вода (за ред­чайшим исключением) этим требованиям не отвечает. По­этому специалисты затрачивают огромные усилия, чтобы сделать ее питьевой.

Как правило, природная вода содержит растворенные вещества, коллоидные частицы, взвешенные вещества и микро организмы.

Растворенные вещества

В воде растворены газы (СО₂, О₂, Н₂8, СН₄), содержа­ние которых зависит в основном от температуры, парциаль­ного давления и состава воды. В природной воде всегда есть неорганические соли: гидрокарбонаты, хлориды и суль­фаты щелочноземельных (Са, Mg, Мп, Бе) и щелочных металлов (№, К). Ионы кальция и магния определяют та­кое качество, как жесткость воды. При этом их гидрокарбо­наты создают временную жесткость, которую можно уда­лить кипячением, а сульфаты, нитраты и хлориды ответ­ственны за постоянную жесткость. С промышленными сто­ками в воду могут попадать также тяжелые металлы. Неор­ганические соли (в основном железа и марганца) формиру­ют вкус и цвет воды. На вкус и цвет влияют также органи­ческие соединения: почвенные и торфяные гумусовые ве­щества (гуминовые и ульминовые кислоты, фульвокислоты и их соли). Природные воды содержат И другие продук­ты жизнедеятельности и разложения живых организмов: растительные (галловая кислота, танин, фенслы) и живот­ные. Но, конечно, самые опасные органические соединения попадают в воду из промышленных предприятий.

Коллоидные частицы

Коллоидные частицы — это мелкие загрязнения (меньше 0,1 мкм): частицы глин, соединения кремния, алюминия и же­леза, и опять же — продукты жизнедеятельности и распада растений и животных. К поверхности коллоидных частиц при­крепляются ионы растворенных веществ, после чего они при-
ибретают электрический заряд. Заряженные частицы уже не слипаются в более крупные и не оседают, а существуют неоп­ределенно долго в виде устойчивых, так называемых колло­идных, растворов.

Взвешенные вещества

Взвешенные частицы, загрязняющие воду, гораздо круп­нее коллоидных (более 1-5 мкм). Эти частицы могут быть минерального и органического происхождения: песок, глина, илистые вещества. В отличие от коллоидных частиц их можно отфильтровать с помощью бумажного фильтра.

Живые организмы

В природной воде живет множество микро- и макроор­ганизмов: вирусы, бактерии, водоросли, планктон и др. Имен­но они определяют эпидемическую безопасность (или опас­ность) воды.

К сожалению, чаще всего воду берут из открытых водо­емов или поверхностных вод, которые грязнее, чем подзем­ные. Важнейшие факторы при выборе места очистки воды — это качество исходной воды и, конечно, экономические воз­можности.

В Украине, как впрочем и во всем мире, из всех требова­ний к качеству воды на первом месте стоит эпидемическая безопасность. Специалисты считают, что ради этого можно даже дополнительно загрязнять воду химическими вещества­ми. Органолептические характеристики официально на пос­леднем месте, но, тем не менее, большинство стадий водоочис­тки направлены как раз на улучшение ее вида, вкуса и запаха, ведь именно по ним человек судит о качестве воды, которую пьет. Хотя нужно помнить, что даже прозрачная вода без по­сторонних привкусов и запахов может содержать диоксины, тяжелые металлы и ароматические углеводы.

В целом, почти половина населения Украины пользова­лась и пользуется питьевой водой, не соответствующей сани­тарно-гигиеническим требованиям.

2. ОЧИСТКА ВОДЫ

Основные стадии очистки воды — это осветление и обес­цвечивание, а потом обеззараживание. На первых двух стади­ях из воды убирают взвешенные и коллоидные частицы. Но если от первых легко избавиться, отстояв и отфильтровав воду, то коллоидные частицы всячески сопротивляются укрупне­нию, после которого их было бы легко осадить. Известно до­вольно много способов разрушения устойчивых коллоидных растворов: перемешивание и нагревание, ультрафиолетовое облучение, ионизирующее облучение, ультразвук, воздействие на частицы электрическим и магнитным полем. Однако на прак­тике заряд частиц снимают с помощью электролитов (их на­зывают коагулянтами).

Очистку воды электролитами начали применять в Ев­ропе в XIX веке, хотя считается, что этот метод был известен еще древним римлянам, грекам и египтянам. К очистке воды с помощью внесения в нее химических веществ (электроли­тов) в начале относились с подозрением. Барон Дельвиг, ав­тор первого в России руководства по устройству водопро­водов и заведующий московским водопроводом, писал: «Нельзя не осуждать всякого очищения, которое вводит в химический состав воды новое вещество, прежде в ней не содержавшееся».

Самыми подходящими электролитами оказались соли многовалентных металлов (соли алюминия, аммиачные и алюмокалиевые квасцы, алюминат натрия) и соли железа (хлорид железа, сульфат железа). Чаще всего используют сульфат алю­миния. Когда его добавляют в природную воду, он реагирует с солями кальция и магния и превращается в гидроокись:

Образующийся А1(ОН)₃ существует в виде микропленок с двойным электрическим слоем, которые могут быть как по­ложительно, так и отрицательно заряжены. Их заряд зависит от кислотности среды. В кислой среде А1(ОН)₃ заряжен поло­жительно, а потому присоединяет к себе коллоидные частицы с противоположным зарядом, после чего образующиеся мас­сивные комплексы легко осаждаются. Вода при этом обесцве­чивается, так как именно окрашенные гуминовые частицы за­ряжены отрицательно.

Очистку природной воды с помощью электролитов при­меняют очень широко, и неудивительно, что этот процесс все время совершенствуется. В частности, используется электро­коагуляция, когда воду очищают в электролизере, где анод — алюминий или железо, а катод — любой электропроводящий материал. При подаче алюминия происходит химическая кор­розия алюминия и его растворение, в результате чего опять же образуется гидроокись алюминия:

Этот метод имеет то преимущество, что при нем в воду не попадают дополнительно ионы, и воду удается из­бавить не только от коллоидных частиц, но и от растворенных газов, фенолов и радиоактивных соединений.

Конечно, у электролитного очищения воды есть свои не­достатки: неполнота очистки и даже ухудшение качества воды по некоторым параметрам. Кроме того, образуется много осад­ка, который надо как-то использовать. В принципе, из него мож­но делать строительные материалы или снова извлекать из него коагулянт, но все равно это большая проблема.

Итак, мы получили чистую на вид воду. Но там, невиди­мые для глаз, могут жить возбудители дизентерии, брюшного тифа, холеры.

Убить бактерии можно многими способами: добавить окислители (хлор и его соединения, озон, перманганат калия и другие), подействовать ультрафиолетовым и ионизирующим излучениями, подогреть, обработать ионами тяжелых метал­лов. Самый простой и экономичный способ — обеззаражива­ние хлором и его соединениями.

Рассмотрим подробнее механизм обеззараживающего действия хлора. Считают, что он проникает через оболочку клетки микроорганизма и взаимодействует с ферментами. Это нарушает обмен веществ и микроб погибает. Обычно для обез­зараживания поверхностных источников применяют 2—3 мг хлора на 1 л воды, процесс длится от 30 минут до 2 часов.

Хлор действительно эффективен и экономичен, но не Иде­ален. Он уничтожает бактерии, но не справляется с вирусами и одноклеточными микроорганизмами. Кроме этого, хлор реа­гирует с органическими соединениями, которые могут быть в воде, причем получаются очень ядовитые продукты. И нако­нец, есть предположения, что из 100 случаев заболевания ра­ком от 25 до 30 связано с использованием хлорированной питьевой воды.

микроорганизмами и вызывающих их гибель. Чем выше кон­центрация озона, рН среды, температура и чем меньше в воде органических примесей, тем эффективнее озон обеззаражива­ет воду. Его рекомендуемая концентрация 0,75—3 мг/л, время реакции 5 минут. Озон уничтожает болезнетворные микроор­ганизмы в 15—20 раз быстрее, а их споры — в 300—600 раз быстрее, чем хлор. Кроме того, озон не только обеззаражива­ет, но и обесцвечивает воду, поскольку окисляет многие орга­нические загрязнения. Только не пытайтесь очистить воду озоном дома! Помните, что токсичен не только сам озон, но и продукты окисления им органических соединений. После окис­ления озоном из органических соединений получаются спир­ты, карбонильные соединения, карбоновые кислоты и другие вещества, которые часто более ядовиты, чем исходные заг­рязнители. Поэтому после обработки озоном воду обязатель­но фильтруют.