Неорганические примеси

В данной таблице приведены показатели, характеризующие предельные концентрации основных неорганических веществ, влияющих на качество питьевой воды.За основу был взят перечень, приведенный в СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест» (как наиболее полный). Этот список был также дополнен несколькими важными неорганическими элементами, не нормируемыми в России (по крайней мере, впрямую), но играющими большую роль при водоподготовительных мероприятиях. Прочерк означает, что данный параметр не нормируется.

Показатель

ВОЗ

USEPA

ЕС

Норматив

СанПиНПоказатель вредности

Класс опасности

Алюминий (Al)

0,2*

0,22

0,24

0,5

с.-т.

2

Азот аммонийный (NH3и NH 4+)

1,5*

-

0,54

-

-

-

Асбест (миллионов волокон на л.)

-

7,01

-

-

-

-

Барий (Ba)

0,7

2,01

0,16

0,1

с.-т.

2

Бериллий (Be)

-

0,0041

-

0,0002

с.-т.

1

Бор (B)

0,3

-

1,03

0,5

с.-т.

2

Ванадий (V)

-

-

-

0,1

с.-т.

3

Висмут (Bi)

-

-

-

0,1

с.-т.

2

Вольфрам (W)

-

-

-

0,05

с.-т.

2

Европий (Eu)

-

-

-

0,3

орг. прив.

4

Железо (Fe)

0,3*

0,32

0,24

0,3

орг.

3

Кадмий (Cd)

0,003

0,0051

0,0053

0,001

с.-т.

2

Калий (K)

-

-

12,05

-

-

-

Кальций (Ca)

-

-

100,06

-

-

-

Кобальт (Co)

-

-

-

0,1

с.-т.

2

Кремний (Si)

-

-

-

10,0

с.-т.

2

Литий (Li)

-

-

-

0,03

с.-т.

2

Магний (Mg)

-

-

50,05

-

-

-

Марганец (Mn)

0,5(0,1*)

0,052

0,054

0,1

орг.

3

Медь (Cu)

2,0(1,0*)

1,02-1,31

2,03

1,0

орг.

3

Молибден (Mo)

0,07

-

-

0,25

с.-т.

2

Мышьяк (As)

0,01

0,051

0,013

0,05

с.-т.

2

Натрий (Na)

200,0*

-

200,04

200,0

с.-т.

2

Никель (Ni)

0,02

-

0,023

0,1

с.-т.

3

Ниобий (Nb)

-

-

-

0,01

с.-т.

2

Нитраты (NO3)

50,0

44,01**

50,03

45,0

орг.

3

Нитриты (NO2)

3,0

3,31**

0,53

3

орг.

2

Ртуть (Hg)

0,001

0,0021

0,0013

0,0005

с.-т.

1

Рубидий (Rb)

-

-

-

0,1

с.-т.

2

Самарий (Sm)

-

-

-

0,024

с.-т.

2

Свинец (Pb)

0,01

0,0151

0,013

0,03

с.-т.

2

Селен (Se)

0,01

0,051

0,013

0,01

с.-т.

2

Серебро (Ag)

-

0,12

0,015

0,05

с.-т.

2

Сероводород (H2S)

0,05*

-

UO 7

0,03

орг. зап.

4

Стронций (Sr)

-

-

-

7,0

с.-т.

2

Сульфаты (SO42–)

250,0*

250,02

250 , 04

500,0

орг.

4

Сурьма (Sb)

0,005

0,0061

0,0053

0,05

с.-т.

2

Таллий (Tl)

-

0,0021

-

0,0001

с.-т.

2

Теллур (Te)

-

-

-

0,01

с.-т.

2

Фосфор (P)

-

-

-

0,0001

с.-т.

1

Фториды (F – )

1,5

2,02-4,01

1,53

1,5

с.-т.

2

Хлор, в том числе: остаточный свободный остаточный связанный

0,5-5,0*

 

 

-

 

 

-

 

0,3-0,5

0,8-1,2

 

орг.

орг.

 

3

3

Хлориды (Cl – )

250,0

250,02

250,04

350,0

орг.

4

Хром (Cr3+)

Хром (Cr6+)

-

0,05

0,11

(всего)

-

0,053

0,5

0,05

с.-т.

с.-т.

3

3

Цианиды (CN– )

0,07

0,21

0,053

0,035

с.-т.

2

Цинк (Zn)

3,0*

5,02

5,06

5,0

орг.

3

* предел по органолептике и потребительским качествам воды.
** в пересчете на нитраты и нитриты соответственно.

1. Обязательные к соблюдению параметры, установленные основным стандартом США (National Primary Water Drinking Regulations).
2. Данный параметр установлен так называемым ?вторичным стандартом? США (National Secondary Water Drinking Regulations), носящий рекомендательный характер.
3. Обязательный для соблюдения параметр, согласно ?Директивы по качеству питьевой воды...? 98/93/EC от 1998 г .
4. Индикаторный параметр, согласно « Директивы по качеству питьевой воды... » 98/93/EC. От 1998 г .
5. Обязательный для соблюдения параметр, согласно « Директивы по качеству питьевой воды... » 80/778/EC от 1980 г .
6. Рекомендованный уровень согласно EC Drinking Water Directive 80/778/EC от 1980 г . (приводятся только для элементов, для которых не установлена предельно допустимая концентрация – MAC ( Maximum Admissible Conentration )). Указаны максимальные значения, допустимые в точке пользования.
7. UO (Undetectable Organoleptically) – не должен обнаруживаться органолептически (на вкус и запах), согласно « Директивы по качеству питьевой воды... » 80/778/EC от 1980 г .

Алюминий

Алюминий (лат. Aluminium) – химический элемент III группы периодической системы Д.И. Менделеева. Имеет атомный номер 13,атомную массу 26,98154. Алюминий серебристо-белый металл, легкий (2,7 г/см3), пластичный, с высокой электропроводностью, температура плавления 660 °С. Химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой). По распространенности в природе занимает 4-е место среди элементов и 1-е среди металлов (8,8 % от массы земной коры). Известно несколько сотен минералов алюминия (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и др.). Металлический алюминий впервые был получен в 1825 г . датским физиком Х.К. Эрстедом (Orsted). Название свое получил от латинского слова alumen – квасцы. Алюминий широко применяется в быту (посуда) и технике: в авиации, автомобилестроении, строительстве (конструкционный материал, преимущественно в виде сплавов с другими металлами), электротехнике (заменитель меди при изготовлении кабелей и др.), пищевой промышленности (фольга), металлургии (легирующая добавка), а также имеет массу других применений. Являясь одним из самых распространенных элементов в земной коре, алюминий содержится практически в любой природной воде. Алюминий попадает в природные воды естественным путем при частичном растворении глин и алюмосиликатов, а также в результате вредных выбросов отдельных производств (электротехническая, авиационная, химическая и нефтеперерабатывающая промышленность, машиностроение, строительство, оптика, ракетная и атомная техника) с атмосферными осадками или сточными водами. Соли алюминия также широко используются в качестве коагулянтов в процессах водоподготовки для коммунальных нужд. Содержание алюминия в поверхностных водах колеблется в пределах от единиц до сотен мкг/дм3и сильно зависит от степени закисления почв. В некоторых кислых водах его концентрация может достигать нескольких граммов на дм3. Метаболизм алюминия у человека изучен недостаточно, однако известно, что неорганический алюминий плохо всасывается и большая часть его выводится с мочой. Алюминий обладает низкой токсичностью для лабораторных животных. Тем не менее, от дельные исследования показывают, что токсичность алюминия проявляется во влиянии на обмен веществ, в особенности минеральный, на функцию нервной системы, в способности действовать непосредственно на клетки – их размножение и рост. Избыток солей алюминия снижает задержку кальция в организме, уменьшает адсорбцию фосфора, одновременно в 10-20 раз увеличивается содержание алюминия в костях, печени, семенниках, мозге и в паращитовидной железе. К важнейшим клиническим проявлениям нейротоксического действия относят нарушение двигательной активности, судороги, снижение или потерю памяти, психопатические реакции. В некоторых исследованиях алюминий связывают с поражениями мозга, характерными для болезни Альцгеймера (в волосах больных наблюдается повышенное содержание алюминия). Однако имеющиеся на данный момент у Всемирной Организации Здравоохранения эпидемиологические и физиологические данные не подтверждают гипотезу о причинной роли алюминия в развитии болезни Альцгеймера. Поэтому ВОЗ не устанавливает величины концентрации алюминия по медицинским показателям, но в то же время наличие в питьевой воде до 0,2 мг/л алюминия обеспечивает компромисс между практикой применения солей алюминия в качестве коагулянтов и органолептическими параметрами питьевой воды. Технология удаления из воды: обратный осмос, ионный обмен, дистилляция.

Железо

Железо (лат. Ferrum) – химический элемент VIII группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Блестящий серебристо-белый пластичный металл, плотностью 7,874 г/см3, tплав.=1535 °С. Железо – один из семи металлов, известных человечеству с глубокой древности. По распространенности в литосфере железо находится на 4-м месте среди всех элементов и на 2-м месте после алюминия среди металлов. Его кларк (процентное содержание по массе) в земной коре со ставляет 4,65 %. Железо входит в состав более 300-х минералов.

Типы железа

Железо существует в природе в различных формах (в зависимости от валентности: Fe0, Fe +2 , Fe+3 ), а также в виде различных сложных химических соединений.

I. Элементарное железо (Fe0 ) . Элементарное или металлическое железо безусловно нерастворимо в воде. В присутствии влаги и кислорода окисляется до трехвалентного железа, образуя нерастворимый оксид Fe2;2O3(процесс, известный в быту как «появление ржавчины»).

II. Двухвалентное железо (Fe+2 ) . Почти всегда находится в воде в растворенном состоянии, хотя возможны случаи (при определенных и редко встречающихся в

природной воде уровнях рН), когда гидроксид железа Fe(OH)2способен выпадать в осадок.

III. Трехвалентное железо (Fe+3 ) . Гидроксид железа Fe(OH)3 нерастворим в воде (кроме случая очень низкого рН). Хлорид FeCl3 и сульфат Fe2(SO4)3трехвалентного железа – растворимы и могут образовываться даже в слабощелочных водах.

IV. 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:

1) Бактериальное железо . Некоторые виды 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.

2) Коллоидное железо . Коллоиды – это нерастворимые 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.

3) Растворимое органическое железо . Также 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, прекрасным хелатообразующим агентом является гуминовая кислота, играющая важную роль в почвенном ионообмене.Все вышеперечисленные виды железа «ведут» себя в воде по-разному. Так, если наливаемая в сосуд вода чиста и прозрачна, но через некоторое время в процессе отстаивания образуется красно-бурый осадок, то это признак наличия в воде двухвалентного железа. В случае если вода уже из крана идет желтовато-бурая и образуется осадок при отстаивании – надо «винить» трехвалентное железо. Коллоидное железо окрашивает воду, но не образует осадка. Бактериальное железо проявляет себя радужной опалесцирующей пленкой на поверхности воды и желеобразной массой, накапливаемой внутри труб. Основные отличительные признаки приведены в таблице.

Тип железа

Вода из-под крана

Вода после отстаивания

Двухвалентное

Чистая

Красно-бурый осадок

Трехвалентное

Окрашена

Красно-бурый осадок

Коллоидное

Желто-бурая

Не образует осадка,

не фильтруется

Растворенное органическое

Желто-бурая

Не образует осадка,

не фильтруется

Бактериальное

Опалесцирующая пленка, желеобразные образования в водопроводной системе.

 

Необходимо только отметить, что «беда никогда не ходит одна» и на практике почти всегда встречается сочетание нескольких или даже всех видов железа. Учитывая, что нет единых утвержденных методик определения органического, коллоидного и бактериального железа, то в деле подбора эффективного метода (скорее комплекса методов) очистки воды от железа очень много зависит от практического опыта фирмы, занимающейся водоочисткой. К сожалению, очень часто достаточно очевидные стандартные методы не работают в, казалось бы, простой ситуации.Главными источниками соединений железа в природных водах являются процессы химического выветривания и растворения горных пород. Железо реагирует с содержащимися в природных водах минеральными и органическими веществами, образуя сложный комплекс соединений, находящихся в воде в растворенном, коллоидном и взвешенном состоянии. Значительные количества железа поступают с подземным стоком и со сточными водами предприятий металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, лакокрасочной промышленности и с сельскохозяйственными стоками. В питьевой воде железо может присутствовать также вследствие применения на муниципальных станциях очистки воды железосодержащих коагулянтов, либо из-за коррозии «черных» (изготовленных из чугуна или стали) водопроводных труб.Содержание железа в пресных поверхностных водах составляет десятые доли миллиграмма. Основной его формой в поверхностных водах являются комплексные соединения трехвалентных ионов железа с растворенными неорганическими и органическими соединениями, главным образом с солями гуминовых кислот – гуматами. Поэтому повышенное содержание железа наблюдается в болотных водах (единицы миллиграммов), где концентрация гумусовых веществ достаточно велика. При рН = 8,0 основной формой железа в воде является гидрат оксида железа Fe(OH)3, находящийся во взвешенной коллоидной форме. Наибольшие же концентрации железа (до нескольких десятков миллиграмм в 1 дм3) наблюдаются в подземных водах с низкими значениями рН и с низким содержанием растворенного кислорода, а в районах залегания сульфатных руд и зонах молодого вулканизма концентрации железа могут достигать даже сотен миллиграммов в 1 литре воды. В подземных водах железо присутст вует 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.

Влияние на качество воды.

Содержащая железо вода (особенно подземная) сперва прозрачна и чиста на вид.Однако даже при непродолжительном контакте с кислородом воздуха железо окисляется, придавая воде желтовато-бурую окраску. Уже при концентрациях железа выше 0,3 мг/л такая вода способна вызвать появление ржавых потеков на сантехнике и пятен на белье при стирке. При содержании железа выше 1 мг/л вода становится мутной, окрашивается в желто-бурый цвет, у нее ощущается характерный металлический привкус. Все это делает такую воду практически неприемлемой как для технического, так и для питьевого применения. По органолептическим признакам предел содержания железа в воде практически повсеместно установлен на уровне 0,3 мг/л (а по нормам ЕС даже 0,2 мг/л). Здесь необходимо подчеркнуть, что это ограничение именно по органолептическим соображениям. По показаниям вредности для здоровья такой параметр не установлен.

Технологии удаления железа из воды

Удаление из воды железа – без преувеличения одна из самых сложных задач в водоочистке. Даже беглый обзор существующих способов борьбы с железом позволяет сделать обоснованный вывод о том, что на данный момент не существует универсального экономически оправданного метода, применимого во всех случаях жизни. Каждый из существующих методов применим только в определенных пределах, и имеет как достоинства, так и существенные недостатки. Выбор конкретного метода удаления железа (или их комбинации) в большей степени зависит от опыта водоочистной компании. Не без гордости можем сообщить, что нам в своей практике неоднократно приходилось сталкиваться с содержанием железа в 20-35мг/л и успешно удалять его.

Итак, к существующим методам удаления железа можно отнести:

1. Окисление

Окисление кислородом воздуха или аэрацией, хлором, перманганатом калия, перекисью водорода, озоном с последующим осаждением (с коагуляцией или без нее) и фильтрацией. Традиционный метод, применяемый уже много десятилетий. Так как реакция окисления железа требует довольно длительного времени, то использование для окисления только воздуха требует больших резервуаров, в которых можно обеспечить нужное время контакта. Это наиболее старый способ и используется только на крупных муниципальных системах. Добавление же специальных окислителей ускоряет процесс. Наиболее широко применяется хлорирование, так как параллельно позволяет решать проблему с дезинфекцией. Наиболее передовым и сильным окислителем на сегодняшний день является озон. Однако установки для его производства довольно сложны, дороги и требуют значительных затрат электроэнергии, что ограничивает его применение. Необходимо отметить также, что в концентрированном виде (например, на точке ввода в воду) озон является ядом (как, собственно говоря, и многие другие окислители) и требует очень внимательного к себе отношения. Частицы окисленного железа имеют малый размер (1-3 мкм) и осаждаются достаточно долго, поэтому применяют специальные химические вещества – коагулянты, способствующие укрупнению частиц и их ускоренному осаждению. Применение коагулянтов необходимо также потому, что фильтрация на муниципальных очистных сооружениях осуществляется в основном на устаревших песчаных или антрацитовых осветлительных фильтрах (не способных задерживать мелкие частицы). Однако даже применение более современных фильтрующих засыпок (например, алюмосиликатов) не позволяет фильтровать частицы размером менее 20 микрон. Проблему могло бы решить применение специальной керамики, но она достаточно дорого стоит (так как не производится вУкраине). У всех перечисленных способов окисления есть ряд недостатков.

Во-первых , если не применять коагулянты, то процесс осаждения окисленного железа занимает долгое время, в противном же случае фильтрация не коагулированных частиц сильно затрудняется из-за их малого размера.

Во-вторых , эти методы окисления (в меньшей степени это относится к озону) слабо помогают в борьбе с органическим железом.

В-третьих , наличие в воде железа часто (а практически всегда) сопровождается наличием марганца. Марганец окисляется гораздо труднее, чем железо и, кроме того, при значительно более высоких уровнях рН.

Все вышеперечисленные недостатки сделали невозможным применение этого метода в сравнительно небольших бытовых и коммерческо-промышленных системах, работающих на больших скоростях.

2. Каталитическое окисление с последующей фильтрацией

Наиболее распространенный на сегодняшний день метод удаления железа, применяемый в высокопроизводительных компактных системах. Суть метода заключается в том, что реакция окисления железа происходит на поверхности гранул специальной фильтрующей среды, обладающей свойствами катализатора (ускорителя химической реакции окисления). Наибольшее распространение в современной водоподготовке нашли фильтрующие среды на основе диоксида марганца ( MnO2): Birm , Greensand , Pyrolox и др. Эти фильтрующие засыпки отличаются между собой как своими физическими характеристиками, так и содержанием диоксида марганца, и поэтому эффективно работают в разных диапазонах значений характеризующих воду параметров. Однако принцип их работы одинаков. Железо (и в меньшей степени марганец) в присутствии диоксида марганца быстро окисляются и оседают на поверхности гранул фильтрующей среды. Впоследствии большая часть окисленного железа вымывается в дренаж при обратной промывке. Таким образом, слой гранулированного катализатора является одновременно и фильтрующей средой. Для улучшения процесса окисления в воду могут добавляться дополнительные химические окислители. Наиболее распространенным является перманганат калия KMnO4, так как его применение не только активизирует реакцию окисления, но и компенсирует ;вымывание марганца с поверхности гранул фильтрующей среды, то есть регенерирует ее. Используют как периодическую, так и непрерывную регенерацию. Все системы на основе каталитического окисления с помощью диоксида марганца, кроме специфических (не все из них работают по марганцу, почти все они имеют большой удельный вес и требуют больших расходов воды при обратной промывке) имеют и ряд общих недостатков.

Во-первых , они неэффективны в отношении органического железа. Более того, при наличии в воде любой из форм органического железа, на поверхности гранул фильтрующего материала со временем образуется органическая пленка, изолирующая катализатор – диоксид марганца от воды. Таким образом, вся каталитическая способность фильтрующей засыпки сводится к нулю. Практически «на нет» сводится и способность фильтрующей среды удалять железо, так как в фильтрах этого типа просто не хватает времени для естественного протекания реакции окисления.

Во-вторых , системы этого типа все равно не могут справиться со случаями, когда содержание железа в воде превышает 10-15 мг/л, что совсем не редкость. Присутствие в воде марганца только усугубляет ситуацию.

3. Ионный обмен

Ионный обмен как метод обработки воды известен довольно давно и применялся (да и теперь применяется) в основном для умягчения воды. Раньше для реализации этого метода использовались природные иониты (сульфоугли, цеолиты). Однако с появлением синтетических ионообменных смол эффективность использования ионного обмена для целей водоочистки резко возросла.С точки зрения удаления из воды железа важен тот факт, что катиониты способны удалять из воды не только ионы кальция и магния, но и другие двухвалентные металлы, а значит и растворенное двухвалентное железо. Причем теоретически, концентрации железа, с которыми могут справиться ионообменные смолы, очень велики. Достоинством ионного обмена является также и то, что он «не боится» верного спутника железа – марганца, сильно осложняющего работу систем, основанных на использовании методов окисления. Главное же преимущество ионного обмена в том, что из воды могут быть удалены железо и марганец, находящиеся в растворенном состоянии. То есть совсем отпадает необходимость в такой капризной и «грязной» (из-за необходимости вымывать ржавчину) стадии, как окисление. Однако на практике, возможность применения катионообменных смол по железу сильно затруднена. Объясняется это следующими причинами:

Во-первых , применение катионитов целесообразно там, где существует также и проблема с жесткостью воды, так как железо удаляется из воды вместе с жесткостью. Там, где ситуация с жесткостью достаточно благополучная, применение катионообменных смол нерационально.

Во-вторых , ионообменные смолы очень критичны к наличию в воде трехвалентного железа, которое «забивает» смолу и очень плохо из нее вымывается. Именно поэтому нежелательно наличие в воде не только уже окисленного железа, но и растворенного кислорода и других окислителей, наличие которых может привести к его образованию. Этот фактор накладывает также ограничение и на диапазон рН, в котором работа смол эффективна.

В-третьих , при высокой концентрации в воде железа, с одной стороны возрастает вероятность образования нерастворимого трехвалентного железа (со всеми вытекающими отрицательными последствиями – см. выше) и, с другой стороны, гораздо быстрее истощается ионообменная ёмкость смолы. Оба этих фактора требуют более частой регенерации, что приводит к увеличению расхода соли.

В-четвертых, наличие в воде органических веществ (в том числе и органического железа) может привести к быстрому «зарастанию» смолы органической пленкой, которая одновременно служит питательной средой для бактерий.

Тем не менее, именно применение ионообменных смол представляется наиболее перспективным направлением в деле борьбы с железом и марганцем в воде. Задача заключается в том, чтобы подобрать такую комбинацию ионообменных смол (подчас весьма сложную и многокомпонент