Проблеми с водата - част 2 /продължение/

Общи физико-химични показатели

В тази таблица са приведени редица общоприети параметри, които често се използват при обработката на водата. Много от тези величини въобще не са нормирани, но въпреки това са важни за оценката на физико-химичните свойства на водата. Като правило тези параметри не само непосредствено определят качеството на водата, но и съдържат информация, без която е невъзможно да се избере оптимална схема за пречистване на водата.

Водороден показател

Водороднят показател характеризира концентрацията на свободни йони на водород във водата. За удобство е въведен специален показател, наречен pH, представляващ десетичен логаритъм от концентрацията на водородните йони, взет със знак минус, т.е. pH = - log[H⁺].

По-просто казано, величината pH определя количественото съотношение във водата на Н⁺ и ОН^– йони, образуващи се при дисоциацията на водата. Ако във водата има понижено съдържание на свободните йони на водорода (рН>7) в сравнение с ОН^– йоните, то такава вода има алкална реакция, а при повишено съдържание на H⁺ йоните (рН<7) - киселинна. В идеално чистата дестилирана вода тези йони са уравновесени. В този случай водата е неутрална и рН=7. При разтварянето във водата на различни химични вещества този баланс може да бъде нарушен, което води до промяна в нивото на pH.

Много често показателят pH е неправилно разбиран като киселинност или алкалност на водата. Важно е да се разбира разликата между тях. Основното е в това, че pH е показател за интензивността, а не за количественото съдържание. Тоест pH отразява степента на киселинност или алкалност на средата, докато в същото време киселинността и алкалността характеризират количественото съдържание на вешества във водата, които са способни да неутрализират съответно основите или киселините. Като аналогичен пример би могъл да послужи примерът с температурата на водата, която характеризира степента на нагрятост на веществото, но не и количеството топлина. Например потапяйки ръка във водата, можем да кажем коя вода е топла или прохладна, но не бихме богли да определим количеството топлина в нея (т.е. говорейки условно, колко време ще изстива тази вода).

В зависимост от нивото на pH водите условно могат да се разделят на няколко групи:

pH е един от най-важните работни показатели за качеството на водата, които в голяма степен определят характера на химичните и биологичните процеси, протичащи във водата. В зависимост от нивото на pH може да се променя скоростта на протичане на химичните реакции, степента на корозийна агресивност на водата, токсичността на замърсяващите вещества и т.н.

Контролирането на нивото на pH е особенно важно на всички стадии от обработката на водата, тъй като неговото «изместване» нагоре или надолу може съществено да повлияе на мириса, вкуса и цвета на водата, а също така и на ефективността на мероприятията по пречистване. Оптималната величина на pH варира за различните системи за пречистване на водата, в съответствие със състава на водата, характера на материалите, използвани в системата, а също и от използвания метод за обработка на водата.

Обикновенно нивото на pH се намира в граници, които непосредствено не влияят на потребителските качества на водата. Така например в речните води pH обикновенно се намира в пределите 6,5-8,5, в атмосверните води 4,6-6,1, в блатата 5,5-6,0, в морските води 7,9-8,3. По тази причина Световната Здравна Организация (World Health Organization) не предлага някаква препоръка по медицински показатели относно нивото на pH. Известно е също така, че при ниско pH водата притежава висока корозионна активност, а при високи нива (рН>11) водата придобива характерна пенливост, неприятен мирис, способност да предизвиква раздразнение при попадане в очите или върху кожата.

Ето защо за питейните и битови води за оптимални се считат нивата на pH в диапазона от 6 до 9.

Обща минерализация

Общата минерализация представлява сумарен количествен показател на съдържащите се разтворени във водата вещества. Този параметър също бива наричан съдържание на разтворимите твърди вещества или общо съдържание на соли, тъй като разтворените във водата вещества се намират именно във вид на соли. Към най-разпространените се отнасят неорганичните соли (основно бикарбонати, хлориди и сулфати на калция, мангана, калия и натрия) и неголямо количество органични вещества, разтворими във вода.

Често този параметър неправилно се употребява вместо друг параметър - сухия остатък. Действително тези параметри са близки, но методиката за определяне на сухия остатък е такава, че в резултата не се отчитат по-летливите органични съединения, разтворени във водата. Това довежда до неголяма разлика между общата минерализация и сухия остатък (като правило не по-голяма от 10%).

Нивото на съдържание на соли в питейната вода се определя от качеството на водата в природните източници, които съществено се различават в различните геоложки региони вследствие на различната разтворимост на минералите.

В зависимос от минерализацията природните води могат да се разделят на следните категории:

Освен природните фактори, върху общата минерализация на водата голямо влияние оказват промишлените отточни води, градските дъждовни оттоци (особено когато солта се използва за обработка на заснежените или обледенените пътища) и т.н.

По данни на Световната Здравна Организация няма надеждни данни за възможното въздействие върху здравето в резултат на повишеното съдържание на соли във водата. Ето защо не са въведени ограничения по медицински съображения от СЗО. Обикновено се счита добра на вкус вода със съдържание на соли до 600 мг/л, но при нива над 1000-1200 мг/л водата може да предизвика «забележки» от потребителите. За това по органолептични показатели СЗО препоръчва горен предел на минерализация на водата до 1000 мг/л. Разбира се, приемливите нива на съдържание на соли във водата силно варират в зависимост от местните условия и утвърдените навици.

Въпросът относно водата с ниско съдържание на соли също стои открит. Счита се, че такава вода е твърде прясна и безвкусна, въпреки че много хора, които употребяват обратоосмотична вода, отличаваща се с много ниско съдържание на соли, я намират напълно приемлива.

Отделно заслужава да се поразсъждава за величината на минерализация на водата от гледна точка на утайките и накипа, които се образуват в нагревателните прибори, парните котли, битовите нагревателни устройства за вода. В този случай се прилагат специални изисквания към водата и колкото е по-малко нивото на минерализация (особено съдържанието на солите, придаващи твърдост на водата), толкова е по-добре.

Твърдост

Твърдост е свойство на водата, обусловено от разтворените в нея соли на калция и магнезия.

Химия на твърдостта на водата

Понятието твърдост на водата обикновено се свързва с катионите на калция (Са²⁺) и в по-малка степен на магнезия (Mg²⁺). В действителност всички двувалентни катиони в една или друга степен повлияват твърдостта. Те взаимодействат с анионите, като образуват съединения (соли на твърдостта), способни да се утаяват. Едновалентните катиони (например, натрия Na⁺) нямат това свойство.

В таблицата са показани основните катиони на металите, предизвикващи твърдост, и главните аниони, с които се асоциират.

На практика стронция, желязото и мангана оказват толкова малко влияние на твърдостта, че те по правило се пренебрегват.

Алуминият (Al³⁺) и тривалентното желязо (Fe³⁺) също повлияват твърдостта, но при нивата на pH, които се срещат в природните води, тяхната разтворимост и, съответно, «приносът» им за твърдостта са нищожно малки. Също така не се взема под внимание и незначителното влияние на бария (Ва²⁺). 

Разновидности на твърдостта на водата

Различават се следните разновидности на твърдост:

1. Обща твърдост. Определя се от сумарната концентрация на калциеви и магнезиеви йони. Представлява сума от карбонатната (временната) и некарбонатната (постоянната) твърдост.

2. Карбонатна твърдост. Обусловена е от наличието във водата на хидрокарбонати и карбонати (при рН>8.3) на калция и магнезия. Този вид твърдост почти напълно се отстранява при кипването на водата и за това се нарича временна твърдост. При нагряването на водата хидрокарбонатите се разпадат и образуват въглеродна киселина (H₂CO₃) и утайка от калциев карбонат и магнезиев хидроксид.

3. Некарбонатна твърдост. Обусловена е от наличието на калциеви и магнезиеви соли на силните киселини (сярна, азотна, солна) и не се отстранява при кипенето на водата (постоянна твърдост).

Мерни единици

В световната практика се използват няколко вида мерни единици за измерване на твърдостта, и всички са определени съотнасяйки се една спрямо друга.

В Русия в качеството на единица за измерване на твърдостта се използва мол на кубически метър (мол/м³). В Западните страни широко се използват мерни единици за твърдост, като немски градус (d^o, dH), френски градус (f^o), американски градус ppm CaCO₃.

Съотношението на мерните единиците за твърдост на водата е представено в таблицата.

Забележки:
1. Един немски градус съответства на 10мг/дм³ СаО или 17.86 мг/дм³ СаСО₃ във водата.
2. Един френски градус съответства на 10 мг/дм³ СаСО₃ във водата.
3. Един американски градус съответства на 1 мг/дм³ СаСО₃ във водата.

Произход на твърдостта на водата

Йоните на калция (Ca²⁺) и магнезия (Mg²⁺), а също и на другите алкалоземни метали, обуславящи твърдостта, присъстват във всички минерализирани води.Техен източник са природните варовикови, гипсови и доломитни залежи. Йоните на калция и магнезия постъпват във водата в резултат на взаимодействието на разтворения въглероден двуокис с минералите и при другите процеси на разтваряне и химична ерозия на скалните маси. Източник на тези йони могат да бъдат също микробиологичните процеси, протичащи в почвите на териториите на водосборите, в дънните отлагания, а също в отходните води от различни предприятия.

Твърдостта на водите се колебае в широки граници и съществуват много класификации според степента на твърдост на водата. В таблицата са приведени четири класификации. Две от класификациите са от руски източници: от справочника «Гидрохимические показатели состояния окружающей среды» и от учебника за ВУЗ «Водоподготовка», а другите две - от западни източници: норми за твърдост на немския институт по стандартизация (DIN 19643) и от класификацията, приета от Агенцията по охрана на околната среда на САЩ (USEPA) през 1986г.

Таблицата нагледно илюстрира значително по-«твърдия» подход към проблема на твърдостта на водата на Изток.

Обикновено в слабоминерализираните води преобладава (до 70-80 %) твърдост, обусловена от йоните на калция (въпреки че в редки случаи твърдостта, причинена от наличието на магнезий, може да достига 50-60%). С увеличаването на степента на минерализацията на водата съдържанието на калциеви йони (Са²⁺) бързо пада и рядко превишава 1 г/л. Съдържанието на магнезиеви йони (Mg²⁺) в силноминерализираните води може да достигне до няколко грама, а в солените езера - до десетки грамове на литър вода.

Твърдостта на повърхностните води, като правило, е по-малка от твърдостта на подземните води. Твърдостта на повърхностните води е подложена на значителни сезонни колебания, като достига най-високи стойности в края на зимата и най-ниски - в периода на силните дъждове, когато повърхностните води обилно се разреждат от меката и топла дъждовна вода. Морската и океанска води имат много висока твърдост (десетки и стотици мг-екв/дм³).

Влияние на твърдостта върху качеството на водата

От гледна точка на използването на водите за питейни нужди, тяхната приемливост според твърдостта им може значително да варира в зависимост от местните условия. Прагът на приемлив вкус за калциевия йон се намира в диапазона 2-6 мг-екв/л, в зависимост от съответния анион, а прагът на приемвлив вкус за магнезия - още по-ниско. В някои случаи потребителите възприемат като приемвлива вода с твърдост повече от 10 мг-екв/л.

Високата твърдост влошава органолептичните свойства на водата, придава и горчив вкус и оказва негативно действие на храносмилателния тракт.

Световната Здравна Организация не прави препоръки относно величината на твърдостта по здравнии съображения. В материалите на СЗО се споменава, че въпреки съществуването на редица изследвания, твърдящи за съществуването на обратна зависимост между твърдостта на водата
и сърдечно-съдовата заболеваемост, съдържащете се в тези изследвания данни не са достатъчни за категоричен извод относно същиствуването на такава взаимовръзка.

Следва да се отбележи, че вода с твърдост по-висока от 4 мг-екв/л, вземайки предвид влиянието на pH и алкалността й, предизвиква отлагане на шлаки и накип (калциев карбонат) във водопроводната система, особенно при нагряване. За това някои контролиращи органи (например Котлонадзор в РФ) въвеждат задължителни изисквания да твърдостта на водата, предназначена за захранване на котли (0,05-0,1 мг-екв/л).

Освен това, при взаимозействието на солите, предизвикващи твърдост, с миещите средства (сапун, прах за пране, шампуани) се образуват «сапунни шлаки» под формата на пяна. Това води не само до значителен преразход на миещи средства. Тази пяна, след изсъхването й, остава под формата на тънък слой върху санитарната техника, бельото, човешката кожа, коса (неприятното усещане за твърди коси е добре известно). Основното отрицателно въздействие на тези шлаки върху човека се състои в това, че те разрушават естественото мастно покритие на нормалната кожа и запушват порите й. Признак за такова негативно въздействие е наличието на характерно скърцане на току-що измитата кожа и коса. Оказва се, че предизвикващото дразнещо усещане за «мазна» кожа след измиване с мека вода е признак за това, че защитното мастно покритие на кожата е цяло и невредимо. Точно това покритие е хлъзгаво. В противен случай се налага да харчим за лусиони, омекотяващи и овлажняващи кремове и да прилагаме други хитрини за възстановяване на естествената защита. Не трябва да забравяме и за обратната страна на медала. Меката вода с твърдост по-малка от 2 мг-екв/л има нискък буферн обем (алкалност) и може, в зависимост от нивото на pH и ред други фактори, да оказва повишено корозионно възвействие върху водопроводната система. За това при ред приложения (особено в топлотехниката) понякога се налага да се извършва специална обработка на водата с цел достигане на оптимално съотношение между нейната твърдост и корозионна активност.

Перманганатна окисляемост

Окислаемост е величина, характеризираща съдържащите се във водата органични и минерални вещества, които се окисляват (при определени условия) от накой от силните химически окислители. Този параметър се изразява в милиграми кислород, необходим за окисляване на тези вещества, съдържащи се в 1 дм³ вода.

Различяват се няколко разновидности окисляемост на водата: перманганатна, бихроматна, йодатна, цериева. Най-висока степен на окисляемост се постига с бихроматните и йодитните методи. В практиката на водопречистването за природни слабозамърсени води се измерва перманганатната окисляемост, а при по-силно замърсени води - като правило, бихроматната окисляемост (наричана също ХПК - «химично потребен кислород»).

Окисляемостта е много удобен комплексен параметър, позволяващ да се оцени общата замърсеност на водата с органични вещества.

Органичните вещества, намиращи се във водата, са разнообразни по своята природа и химични свойства. Техният състав се формира както под влиянието на биохимичните процеси, протичащи във водоемите, така и в резултат на постъпващите повърхностни и подземни води, атмосферните валежи, промишлените и битови отходни води.

Величината окисляемост на природните води варира в широки граници, от части от милиграма до десетки милиграми О₂ на литър вода. Повърхностните води имат по-висока окисляемост, а значи са и по-«богати» на органика в сравнение с подземните. Така планинските реки и езера се характеризират с окисляемост 2-3 мг О₂/дм³, равнините реки - 5-12 мг О₂/дм³, а реките захранвани от блата - десетки милиграми на 1 дм³. Подземните води имат усреднена окисляемост на нивата от стотни до десети части от милиграма О₂/дм³ (изключение правят водите в районите на нефтените и газови находища, торфните и силно заблатените местности).

Бихроматна окисляемост

Бихроматната окисляемост (ХПК) се използва за измерване на съдържанието на органични вещества в пробата вода, взета от водоеми и водотоци, подложени на силно въздействие на човешката дейност. По този начин ХПК се използва за характеризиране състоянието на водотоци и водоеми, постъпващите в тях битови и промишлени отходни води (в това число и степента им на замърсеност), а също и повърхвостния водосток. В съответствие с изискванията към състава и свойствата на водите във водоемите за питейни нужди ХПК не трябва да превишава 15 мг О₂/дм³.

Електропроводимост

Електропроводимостта е числено изражение на способността на водния разтвор да провежда електрически ток. Електрическата проводимост на природните води зависи основно от степента на минерализация (концентрацията на разтворени минерални соли) и температурата. Благодарение на тази зависимост е възможно с известна неголяма неточност да се съди за минерализацията на водата. Такъв принцип на измерване се използва в разпространените прибори за оперативно измерване на общото съдържание на соли (така наречените TDS-метри).

Работата е там, че природните води представляват разтвори на смеси на силните и слабите електролити. Минералната част на водата се състои предимно от йони на натрия (Na⁺), калия (K⁺), калция (Ca²⁺), хлора (Cl^–), сулфата (SO₄^2–), хидрокарбоната (HCO₃^–). Това са йоните които преимуществено обуславят електопроводимостта на природните води. Присъствието на други йони, например тривалентно и двувалентно железни йони (Fe³⁺ и Fe²⁺), манганови (Mn²⁺), алуминиеви (Al³⁺), нитратни (NO₃^–), HPO₄^–, H₂PO₄^– и т.н. йони не влияе значително на електропроводимостта (разбера се, ако тези йони не присъстват в значителни количества, както това например се случва в производствените и битовите отходни води).

Неточности в измерванията възникват заради нееднаквата относителна електопроводимост на разтворите на различните соли, а също и заради увеличаването на електропроводимостта с покачването на температурата. Съвременното ниво на техниката, обаче, позволява да се минимизират тези неточности с помощта на предварително изчислените и въведени в паметта на измервателните уреди зависимости.

Температура

Температурата е един от най-важните фактори, влияещи на протичащите във водата физични, химични, биохимични и биологични прцеси. От температурата на водата в голяма степен зависят кислородният режим, интензивността на окислително-възстановителните процеси, активността на микрофлората и т.н. Температурата на водата може също да повлияе и върху производителността на системата за пречистване на водата. Например производителността на системите за обратна осмоза съществено зависи от температурата на водата, постъпваща върху мембраната. Ето защо влиянието на температурата се взема предвид в разчетите при прострояване на системите за пречистване на водата.

Специални норми, определящи температурата на водата, не са въведени никъде, освен в ЕС (<25 °С). В препоръките на СЗО се споменава само, че температурата на водата «трябва да бъде приемлива».

От гледна точка на потребителските качества, студената вода, като правило, е по приятна на вкус. Високата температура на водата не само ускорява растежа на микроорганизмите, но също и засилва проблемите свързани с наличните привкус, мирис, цветност, корозия.

Окислително-възстановителен потенциал

В справочника по хидрохимия е дадено следното определение: «Окислително-възстановителния потенциал (ОВП) е мярка за химическата активност на елементите или техните съединения в обратимите химически процеси, свързани с промяната на заряда на йоните в разтворите». 

В превод на по-разбираем за неспециалиста език това означава, че ОВП, наричан също редокс-потенциал (RedOx - reduction/oxidation), характеризира степента на активност на електроните в окислително-възстановителните реакции, т.е. реакциите свързани с присъединяването или предаването на електрони.

Стойността на окислително-възстановителния потенциал (Eh) се изчислява по сложна формула, изразява се в миливолтове и може да има както положителен, така и отрицателен знак.

В природанта вода стойността на Eh се колебае от -400 до +700 мВ, което се определя от цялата съвкупност от протичащите в нея окислително-възстановителни процеси. При равновесно състояние стойността на ОВП характеризира по определен начин водната среда и позволява да се направят някои по-общи изводи за химическия състав на водата.

В зависимост от стойността на ОВП се различават няколко основни ситуации, срещащи се в природната вода:

1. Окислителна. Характеризира се със стойности на Еh > +(100-150) мВ, с присъствието във водата на свободен кислород, както и с цял ред елементи с най-високата си валентност (Fe³⁺, Mo⁶⁺, As^5-, V⁵⁺, U⁶⁺, Sr⁴⁺, Cu²⁺,Pb²⁺). Ситуацията най-често се среща в повърхностните води.

2. Преходна окислително-възстановителна. Определя се със стойности на Еh от 0 до +100 мВ, с неустойчев химичен режим и променливо съдържание на сероводород и кислород. В тези условия протича както слабо окисление, така и слабо възстановяване на цял ред метали.

3. Възстановителна. Характеризира се със стойности на Еh < 0. Типична е за подземните води, в които присъстват метали с ниски валентности (Fe²⁺, Mn²⁺, Mo⁴⁺, V⁴⁺, U⁴⁺), а също и сероводород.

Окислително-възстановителният потенциал на водата зависи от температурата и е свързан с pH. В някои приложения (например при обработката на водата за басейни) ОВП е един от основните параметри за контрол на качеството на водата. В частност, защото позволява да се оцени ефективността на обеззаразяване на водата.

За илюстация в таблицата е дадена продължителността на живот на микроорганизмите Escherichia coli в зависимост от стойността на редокс-потенциала.

Киселинност

Киселинност е наличието във водата на вещества, способни да встъпват в реакция с хидроксидните йони (ОН^–). Определя се с еквивалентното количество хидроксид, необходимо за реакцията.

В природните води киселинноста в повечето случаи зависи само от съдържанието на свободния въглероден двуокис. Естествена киселинност от части създават също хуминовите и другите слаби органични киселини и катионите на слабите основи (йоните на аммония, желязото, алуминия, органичните основи). В тези случаи pH на водата не е по-ниско от 4,5.

В замърсените водоеми могат да се съдържат голями количества силни киселини или соли в резултат на изхвърлянето на промишлени отходни води. В тези случаи pH може да бъде по-високо от 4,5. Частта от общата киселинност, снижаваща pH до стойности < 4,5, се нарича свободна киселинност.

Алкалност (буферен обем)

Под алкалност на природните или пречистените води се разбира способността на някои техни компоненти да се свързват с еквивалентно количество силни соли. Този параметър често се нарича буферен обем на водата, като се има предвид способността на водата да неутрализира корозионното въздействие на киселините.

Под обща алкалност се разбира сумата от съдържащите се във водата хидроксилни йони (ОН^–) и аниони на слабите киселини (карбонати, хидрокарбонати, силикати, борати, сулфити, хидросулфити, сулфиди, хидросулфиди, аниони на хуминовите киселини, фосфати), които, от своя страна, като се хидролизират, образуват хидроксилни йони.

Тъй като в повечето природни води преобладават карбонатите, то обикновенно става дума само за хидрокарбонатна и карбонатна алкалност. В редки случаи, при рН > 8,5 възниква хидратна алкалност.

Алкалността се определя като количеството силна киселина, необходима за неутрализация на 1 дм³ вода. Алкалността на повечето природни води се определя само от хидрокарбонатите на калция и магнезия, pH на тези води не превишава 8,3.

Определянето на алкалността на водата е полезно при дозирането на химическите вещества, необходими при обработката на водата, подавана във водоснабдителната система. Заедо със стойността на pH, алкалността на водата служи за изчисляване на карбонатите и балансиране на въглеродната киселина във водата.

Степен на кислородна наситеност

Разтвореният кислород се съдържа в природната вода като молекули O₂. На неговото съдържание във водата влияят две групи противоположно действащи процеси: едните увеличават концентрацията на кислород, другите я намаляват.

Към групата на първите се отнасят: поглъщането на кислород от атмосферата, отделянето на кислород от водната растителност в процеса на фотосинтезата и вливането във водоемите на дъждовните и снежни води, които обикновено са пренаситени с кислород. В артезианските води всички тези фактори практически не действат, ето защо в тези води отсъства кислород. В повърхностните води съдържанието на кислород се намалява в резултат на протичането на процеси, намаляващи неговата концентрация, а именно: потреблението на кислород от различните организми на ферментацията, гниенето на органичните отпадъци, окислителните реакции и т.н.

Относителното съдържание на кислород във водата, изразено като процент от неговото нормално съдържание, се нарича степен на наситеност с кислород. Този параметър зависи от температурата на водата, атмосферното налягане, нивото на минерализация. Изчислява се по формулата:

M = (a×01308×100)/N×P ,

където:
М – степен на наситеност на водата с кислород, %;
а – концентрация на кислорода, мг/дм³;
Р – атмосферно налягане, МПа.
N – нормална концентрация на кислорода при зададената температуре (приведени в таблицата) и при атмосферно налягане 0,101308 Мпа.

Концентрацията на кислород определя стойността на окислително-възстановителния потенциал и в значителна степен направлението и скоростта на процесите на химично и биохимично окисляване на органичните и неорганичните съединения. Съдържанието на кислород в повърхностните води служи за косвена мярка за качеството на тези води. По този показател повърхностните водоеми могат да се разделят на следните класове, посочени в таблица:

Световната Здравна Организация не препоръчва определена величина по здравословни съображения за този показател. Но рязкото снижаване на съдържанието на кислород във водата е индикатор за нейното химично или биологично замърсяване.

На свой ред намаляването на разтворения кислород в системите за водоснабдяване може да способства за възстановяването на нитрата в нитрит и на сулфата в сулфид, което води до появата на мирис. Намаляването на количеството на кислорода също води до повишаване концентрациите на двувалентно желязо в разтвора и усложнява неговото премахване. В същото време при определени условия разтвореният кислород придава на водата корозионна агресивност към метала и бетона.

При повърхностните води за нормална степен на наситеност на водата с кислород се счита не по-малка от 75 %.