Питьевая вода и её очистка

Три четверти поверхности Земли покрывает вода. Вода занимает первое место среди веществ, выбрасываемых из недр Земли. На поверхность она обычно попадает в виде пара. Конденсируясь, вода за миллиарды лет создала гидросферу, которая занимает сейчас 75% земной поверхности в виде океанов, морей, ледников, рек, озер, и т. д.

Под действием солнечной энергии Мировой океан испаряет около 1 млрд тонн воды в минуту. Поднимаясь в верхние холодные слои атмосферы, водяной пар конденсируется в микрокапли, которые постепенно укрупняются и образуют облака. Средний срок жизни облака 8-9 дней. За это время ветер может переместить его на 5-10 тыс. км, поэтому значительная часть облаков оказывается над сушей. Дальнейшее укрупнение микрокапель превращает облака в тучи, из которых выпадают осадки. Большая часть осадков (80%) попадает в Мировой океан, меньшая (20%) – на сушу. Выпавшая на сушу, вода принимается за свой извечный труд – разрушение горных пород, но вода не только разрушает горные породы, она основа питания растений Вода составляет значительную часть живого организма (60-70% тела человека, 80-90% для растений, 75% - животных), поэтому все биохимические реакции в каждой живой клетке – это реакции в водных растворах.

Вода состоит из 88,6% кислорода и 11,4% водорода (по массе), что отвечает формуле H2O. Воду можно рассматривать как оксид водорода или как гидрид кислорода. В составе молекулы воды имеются как положительно заряженные частицы – ядра кислорода и водорода, так и отрицательно заряженные частицы – электроны. Для каждого рода зарядов можно найти такую точку, которая является как бы «электрическим центром тяжести». Эти точки называются полюсами молекул

Молекула воды состоит из разнородных атомов, вследствие чего происходит неравномерное распределение положительных и отрицательных зарядов внутри молекулы и электрические центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, в результате чего образуется диполь.

Вода принадлежит к веществам очень прочным. Разложение воды на составные части требует значительной затраты тепла. Заметное разложение начинается при 1000 0С. и только при 4000 0 – 6000 0С. наступает полное разложение. Значительно легче происходит разложение воды электрическим током. Также на воду действует радиоактивное излучение. При этом образуется водород, кислород и пероксид водорода Н2О2. Щелочные и щелочноземельные металлы разлагают воду с выделением водорода при обычной температуре: 2Na + H2O = 2NaOH + H2↑; Ca + H2O = Ca(OH)2 + H2↑,а магний и цинк – при кипячении. Вода является одной из причин коррозии – ржавления металлов. Благородные металлы с водой не реагируют. Вода взаимодействует со многими неметаллами, с растворимыми в воде солеобразующими оксидами, взаимодействуя с ней, дают кислоты и основания. Многие соли образуют с водой гидраты, которые выделяются из воды в виде кристаллов. Вода, входящая в состав кристаллов, называется кристаллизационной.

Вода вступает в соединение с галогенами, например с хлором, образуя соляную и хлорноватистую кислоты: H2O + Cl2↑ = HCl + HClO. При опускании паров воды через раскаленный уголь образуется так называемый водяной газ, состоящий из водорода и оксида углерода (II): H2O + C СО + Н2↑. Этот газ имеет большое техническое значение, так как из него выделяют водород, идущий для синтезов аммиака, хлороводорода и многих других соединений. Кроме того, водяной газ используется как горючий газ в различных производствах.

В настоящее время рассматривают самые различные экологические проблемы, одна из которых – проблема чистой питьевой воды. Так, Германия покупает чистую воду в Швеции, а голландцы – в Норвегии. Эту воду разливают в бутылки и продают как питьевую, ведь свою пить опасно. Поэтому я решила определить качество воды в Верхней Тойме.

Объектами моего исследования были вода водопроводная и вода колодезная из разных источников. Я хотела узнать химический и бактериологический состав воды.

Основной метод моей работы был экспериментальный. При постановке опытов я проводила качественный и количественный анализ водопроводной и колодезной воды. Провела качественный анализ на наличие ионов: Zn2+; As2+; Fe2+; Pb2+; Hg;2+ Al3+; Cr3+; Ag+; Cu2+; Co2+; Ba2+; Fe3+; Mn2+; Mg2+; Sb3+; Sb5+ и количественный анализ на эти же ионы и Cd2+; Ni2+ и Cl-; SO42-; NO3-; F-; NO2-. Я проводила бактериологический анализ воды и ряд опытов для определения общего микробного числа, на общее число калифорных бактерий и патогенную флору (сальмонеллы). Изучала органолептические свойства воды: мутность, цветность, запах, вкус. Выявляла те или иные отклонения от нормы. Данные статистически обрабатывала, анализировала, обобщала в таблицы, выявляла общие закономерности, делала выводы.

Питьевая вода и её очистка

Далеко не всякая вода может служить для питья. Вода должна быть прозрачна, бесцветна, без запаха, безвредна по содержанию химических веществ и, кроме того, она должна быть безвредна по бактериологическому составу, т. е. не должна содержать бактерии, которые являются причиной заразных болезней.

В больших городах трудно найти источники воды, отвечающей всем поставленным выше требованиям, и для того, чтобы снабдить население доброкачественной водой, приходиться воду очищать.

Водоочистка – комплекс технологических процессов, имеющих целью довести качество воды, поступающей в водоснабжение, до установленных показателей. Первые сведенья по водоочистке содержаться в написанной в Индии около 4 тысяч лет назад на санскрите медицинской книге «Усрута Сангита», где говорится: «хорошо держать воду в медных сосудах, выставлять её на солнечный свет и фильтровать через древесный уголь». Греческий врач и естествоиспытатель Гиппократ рекомендовал во избежание заболеваний употреблять кипяченую воду.

Первая водоочистная станция с так называемыми медленными фильтрами была построена в 1829 г. в Лондоне. В России станция очистки водопроводной воды впервые была сооружена в 1888 г. в Санкт – Петербурге, станция обеззараживания воды – в 1910 г. в Нижнем Новгороде.

Наиболее совершенный способ очистки воды – перегонка. В результате перегонки можно получить дистиллированную воду. Дистиллированная вода – это химически чистая вода. Однако такая вода вредна для организма. При продолжительном употреблении дистиллированной воды для питья она выщелачивает из клеток желудка и кишечника содержащиеся в клеточном соке соли, и клетки начинают отмирать, что ведет к более или менее серьезным заболеваниям.

Питьевая вода должна содержать небольшое количество безвредных, растворенных солей и газов. В большинстве случаев очистка питьевой воды производиться фильтрованием и различными химическими методами.

Устранение мутности воды, её осветление достигается удалением взвешенных высокодисперсных веществ естественным и искусственным путем. Естественное осветление воды осуществляется путем простого осаждения содержащихся в ней более крупных взвешенных частиц в осадочных бассейнах (отстойниках) и последующей медленной фильтрацией через песок фильтров для задержки более мелкой взвеси и окончательного осветления. Но этот процесс протекает очень медленно и при очистке больших количеств воды непригоден в технико-экономическом отношении. В больших городах пользуются приемом искусственного осветления воды. Оно заключается в предварительной химической обработке воды – коагуляции примесей химическими реагентами - коагулянтами. Чаще всего для этой цели применяют сульфат алюминия (Al2(SO4)3). Сульфат алюминия вступает в реакцию с содержащемся в воде гидрокарбонатом кальция (Ca(HCO3)2), причем образуется нерастворимый гидроксид алюминия (Al(OH)3).

Гидроксид алюминия образует сначала коллоидный раствор, который затем постепенно свертывается (коагирует), образуя более или менее крупные хлопья. При образовании этих хлопьев внутри их остаются все находящиеся в воде в виде коллоидных растворов органические вещества, придающие воде желтоватый оттенок. Эти хлопья, оседая на поверхности песка в фильтре, образуют фильтрующую пленку, и из фильтра выходит совершенно прозрачная вода.

Даже бактерии, находящиеся в воде, задерживаются. Количество бактерий в воде при коагуляции сильно уменьшается. Фильтрованная вода уже значительно лучше (здоровее) нефильтрованной, но все же она еще не вполне безвредна. Для окончательного обеззараживания воды, т. е. для уничтожения последних остатков бактерий, воду обрабатывают хлором (иногда другими окислителями, например озоном). Для этого часть воды пропускается через аппарат, в который одновременно впускается струя хлора из стального баллона. Полученный крепкий раствор хлора поступает непосредственно в главную водопроводную трубу (магистраль). Количество хлора рассчитано так, чтобы за время, пока вода из магистрали начнет расходиться по кранам, весь хлор прореагировал с водой. Реакция хлора с водой: H2O + Cl2↑ = 2HCl + [O]. Выделяющийся атомарный кислород убивает все бактерии и, таким образом, вода полностью обеззараживается. В воде остается ничтожное количество соляной кислоты, которая в таком количестве совершенно безвредна.

В некоторых случаях очистку воды осуществляют путем применения активированного угля, который добавляется к воде в виде порошка вместе с коагулянтом.

За последнее время начинают применять новый метод обеззараживания воды – действием на воду ультрафиолетовыми лучами, с длиной волны 2000 – 3000Ао, обладающими бактерицидным действием. Источниками ультрафиолетового излучения служат ртутно-кварцовые или аргоно-ртутные лампы. Этот метод имеет существенные преимущества перед хлорированием, так как его легче автоматизировать, и он не влияет на вкус воды.

Определение качества воды

Окисляемость – общее количество содержащихся в воде восстановителей (неорганических и органических), реагирующих с сильными окислителями (бихроматом, перманганатом).

Жесткость. Величина общей жесткости в источниках централизованного водоснабжения допускается до 7 ммоль/л, в отдельных случаях по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы – до 10 ммоль/л.

Общая жесткость воды обусловлена присутствием растворенных соединений кальция и магния и варьирует в широких пределах в зависимости от типа пород и почв, слагающих бассейн водосбора, а также от сезона года.

При жесткости до 4 ммоль/л вода считается мягкой; 4-8 ммоль/л – средней жесткости; 8-12 ммоль/л – жесткой, более 12 ммоль/л – очень жесткой.

Нитраты. Предельно допустимая концентрация нитратов в воде водоемов 45 мг/л (соли 10 мг/л по азоту), медитирующий показатель вредности санитарно-токсилогический.

Хлориды. Концентрация хлоридов в водоемах – источниках водоснабжения допускается до 350 мг/л, медитирующий показатель вредности органолептический.

В поверхностных водах количество хлоридов зависит от характера пород, слагающих бассейны и, варьирует в значительных пределах – от десяти долей до тысяч миллиграммов в 1 литре. В реках северной части России хлоридов обычно немного, не более 10 мг/л, в южных районах эта величина повышается до десятков и сотен миллиграммов в 1 литре. Много хлоридов попадает в водоемы со сбросами хозяйственно-бытовых и промышленных сточных вод. Этот показатель весьма важен при оценке санитарного состояния водоема.

Сульфаты. Концентрация допускается до 500 мг/л медитирующий показатель вредности органолептический.

Содержание сульфатов в природных, поверхностных и подземных водах обусловлено выщелачиванием горных пород, биохимическими процессами и т. д. В водоемах северной части России сульфатов, как и хлоридов, обычно немного, в южных районах, где воды более минерализированы, увеличивается и содержание сульфатов. Сульфаты попадают в водоемы и со сбросами различных сточных вод.

Водородный показатель – это десятичный логарифм концентрации водородных ионов, взятый с обратным знаком. рН = -lg [H+] (Ю. В. Новиков; К. О. Ласточкина; З. Н. Болдина). «Методы исследования качества воды водоемов».

В поверхностных водах в растворенном виде постоянно присутствует кислород. Его содержание характеризует кислородный режим водоема и при оценке качества воды также имеет принципиальное значение.

Нахождение химических элементов в живых организмах.

Изучение химического состава организма имеет большое практическое значение. В настоящее время доказано наличие в организме животных и человека 80 из 107 известных элементов периодической системы. Человек и животные получают из окружающей среды необходимые для жизнедеятельности химические элементы с пищей и водой. В зависимости от химического состава воды, почвы и влияние их на биологические функции животных и человека вся поверхность суши разделена на биохимические провинции – местность, характеризующаяся определенным составом почвы и природных вод. (В. И. Вернадский).

Биохимические провинции можно разделить на две группы:

• Имеется недостаток одного или нескольких химических элементов.
• Чрезмерно высокий уровень каких-либо химических элементов.

И то, и другое приводит к нарушению обмена веществ в живых организмах и заболеваниям, так называемым «биогеохимическим эндемиям». Целесообразно изменять состав элементов данной провинции внесением в почву и воду, добавлением в пищевой (кормовой) рацион недостающих элементов и тем самым предупредить эндемические заболевания. По количественному содержанию в живом организме химические элементы делят на три группы:

• Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме больше 10-3%. К ним относится кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий, хлор и т. д.
• Микроэлементы. Содержание в организме от 10-3 до 10-5%. К ним относится йод, фтор, бром, медь, стронций, барий, кобальт, алюминий, марганец, хром, кремний и т. д.
• Ультрамикроэлементы. Содержание в организме меньше 10-5%. К ним относится ртуть, золото, уран, радий, торий и т. д.

Человек и вода

Многообразна и велика роль воды в человеческом обществе. По существу без чистой воды просто немыслимо развитие народного хозяйства. Обеспечение чистой водой превратилось в важнейшую проблему современности. Вот почему так остро во всем мире в настоящее время ставятся вопросы, связанные с защитой водных источников от истощения и загрязнения. «Где вода, там и жизнь», - гласит старая казахская пословица. Она напоминает людям о необходимости повседневной заботы об источниках водоснабжения – реках, озерах, ручьях, родниках и ключах. Аналогичные пословицы и поговорки есть почти у всех народов мира. Звучат они по-разному, но смысл их один: вода – природное богатство, которое человек должен тщательно охранять.

В прошлом считалось, что запасы пресной воды неистощимы, но во второй половине XX века человек столкнулся с неожиданным и непредвиденным явлением – недостатком пресной воды. И где?! Не в пустынях и степях, где вода всегда была дефицитом, а в районах, нередко страдающих от избытка влаги. За последние десятилетия заметно обмелели многие водоемы, исчезают малые реки, высыхают озера, пруды и некоторые водохранилища, пропадают родники, иссякают артезианские скважины.

Между тем потребность в пресной воде год от года растет. Ученые водного хозяйства считают, что через 20-30 лет большая часть населения земного шара, особенно индустриально развитые страны, могут столкнуться с проблемой острой нехватки воды. Впрочем, уже сейчас во многих уголках нашей планеты люди страдают от недоброкачественной воды или вообще испытывают ее недостаток.

Качество воды оценивается по количеству кишечной палочки, так как кишечная палочка является родоначальником возбудителей тифа, паратифов, дизентерии. В России установлено допустимое количество кишечной палочки: на 333 мл воды 1 палочка. Обычно питьевую воду анализируют на присутствие в ней яиц паразитических червей.

По данным Всемирной организации здравоохранения, около 5 млн. детей ежегодно умирают от кишечных заболеваний, связанных с загрязнением воды. По данным центральной Верхнетоемской больницы в 2006 г. заболело дизентерией 2 человека, сальмонеллезом 3 человека, в 2007 г. дизентерией – 2, а сальмонеллезом – 1 человек.

В некоторых развивающихся странах до 90% населения либо вообще не имеет водопроводной воды, либо используют воду неудовлетворимого качества. Плата за воду в некоторых странах настолько высока, что некоторые люди не в состоянии купить даже минимальное количество, необходимое для жизни. Большое число людей все еще вынуждено пользоваться питьевой водой из колодцев, рек и других источников, незащищенных от бактериологического загрязнения. По данным ВОЗ, инфекционная заболеваемость населения, связанная с водоснабжением, достигает 500 млн. случаев в год. Это дало основание назвать проблему снабжения доброкачественной водой в достаточном количестве проблемой номер один. Отсюда следует, что загрязненная вода наносит большой вред окружающей среде и человеку.