Питьевая вода и ее очистка, Биология

Открыть кран и налить воду в чайник — что может быть проще? Взять речную воду, очистить её до состояния питьевой, а потом грязный канализационный сток превратить обратно в чистую воду — что может быть сложнее? И затратнее. Разбираемся, как вода из рек попадает к нам в кран и сколько приходится платить за её очистку.

Основные источники пресной воды

71% нашей планеты покрыт водой. В основном, солёной водой, абсолютно непригодной для питья. В общем количестве мировой воды всего 3% пресной. Если из этого скромного объёма убрать 68% льдов на полюсах и 30% подземных пресных источников, останется 0,8% в вечной мерзлоте, 0,2% в озёрах, 0,006% в реках и ещё чуть-чуть в атмосфере.

То есть, количество легкодоступной пресной воды на планете мало, а та, что есть, чаще всего не подходит для питья без обработки. Так что примем за отправную точку тот факт, что питьевая вода — дорогой и дефицитный ресурс.

Россия лидирует по количеству поверхностной пресной воды, поэтому чаще всего воду для городского водоснабжения берут из крупных озёр и рек. Для небольших поселений используются артезианские скважины.

Но даже в тех местностях, где протекают относительно чистые реки или прорыты скважины, вода требует подготовки перед тем, как её можно будет использовать для центрального водоснабжения, ведь в воде могут быть вирусы, опасные бактерии, тяжёлые металлы и прочие химические загрязнения.

Так железистая вода бьёт по печени и сердечно-сосудистой системе, избыток фтора портит зубы и кости, диоксины, оставшиеся от сжигания мусора, вредят нервной системе и вызывают рак, слишком жёсткая вода провоцирует образование камней в почках, а свинец отрицательно влияет на развитие детей и вызывает анемию.

А уж про бактерии и вирусы и так всё понятно — заболевания, аллергии и расстройства ЖКТ обеспечены. Да и использованную воду тоже хорошо бы очищать, а не просто сливать обратно в реку. Городской цикл очистки воды состоит из двух этапов: забор воды из водоёмов и очистка для использования в водопроводах, а затем очистка получившихся канализационных стоков и сброс воды обратно в водоёмы. То есть водоснабжение и канализация.

Очистка воды для водопровода

Сперва на примере Москвы разберёмся, как вода попадает в водопровод. Как сообщает сайт Мосводоканала, «централизованное водоснабжение московского региона осуществляется, в основном, из поверхностных водоисточников. Ими являются Москворецко-Вазузская и Волжская водные системы, в которые входят 15 водохранилищ и тракты подачи воды — река Москва с притоками и канал им. Москвы.

» Общая суточная водоотдача водозаборных станций столицы составляет 11 млн кубометров, что почти вчетверо превышает потребление. Москвичи пьют воду из протекающей через весь город реки Москвы, хотя эта мысль сперва пугает. На самом деле, прежде чем содержимое судоходных рек попадёт в квартиры, вода проходит комплексную очистку на одной из четырёх станций водоподготовки.

Места забора воды из рек закрыты и тщательно охраняются — это буквально стратегические объекты. После грубой фильтрации воду озонируют, избавляясь от органики всех размеров, и смешивают с коагулянтами и флокулянтами. Эти реагенты «сбивают» оставшиеся загрязнения в хлопья, которые затем оседают.

Смешивание воды с реагентами происходит в течение десяти минут — при меньшем времени хлопья не образуются, при более длительном смешивании уже начинают разрушаться. После отстоя осадка, воду вновь озонируют и отправляют фильтроваться. Тонкие струйки воды после отстоя хлопьев. Источник: Мосводоканал В качестве фильтра выступает двухметровый слой песка, сквозь который вода проходит естественным образом. Очищают такой фильтр примерно раз в сутки напором чистой воды с обратной стороны. Далее воду переливают в другой резервуар, где она так же, под собственным весом проходит через полутораметровый слой древесного угля. Последним этапом очистки выступают мембраны, способные задержать частицы с размером всего 0,01 микрон (это не опечатка). Каждый час мембраны чистятся обратным потоком воды. С этого момента вода считается питьевой, то есть полностью безопасной для здоровья. Анализ воды на всех этапах производится каждые четыре часа, а в условиях повышенного риска (например, весеннее половодье) раз в час. Мембранные модули и их содержимое. Источник: Мосводоканал Кстати, хлором воду не чистят — его, вернее безопасный гипохлорит натрия, добавляют в самом конце, чтобы предупредить заражение воды во время прохождения по городским трубопроводам. По крайней мере в Москве холодная вода из-под крана официально считается полностью безопасной для питья без дополнительной очистки и кипячения.

Очистка канализационных стоков

Превратить речную воду в питьевую непросто, но ещё сложнее канализационный сток очистить до состояния чистой и безопасной для экологии воды. Столицу обслуживают четыре водоочистных станции, куда стекается сточная вода из канализаций.

Самая крупная и современная из них, Курьяновская, после модернизации способна обрабатывать до 3,1 млн кубометров в сутки. Люберецкие сооружения при необходимости примут ещё 3 млн кубометров, Зеленоградские и Бутовские вместе — 220 тыс. кубометров.

То есть запас мощности очистных сооружений, которые превращают московские стоки в чистую безопасную воду, вдвое превышает текущее потребление города. Работают они так. Сперва по трубам сток поступает в приёмную камеру очистной станции — это большие резервуары, до недавних пор открытые, от которых невыносимый запах разносился на километры вокруг.

К счастью, московские очистные сооружения накрыли специальными крышками, поэтому жители окрестных домов наконец смогли забыть о запахе канализации. Невыносимо грязная вода с огромным количеством мусора, спущенного в канализацию, проходит грубую механическую очистку, в ходе которой удаляются все посторонние предметы, видимые глазом.

Сухой остаток прессуется и вывозится на полигоны хранения. Далее в отстойниках часть грязи оседает естественным образом, после чего воду, всё ещё грязную и дурно пахнущую, можно отправлять на аэрирование.

В ходе этого процесса в аэротенках (это не опечатка!) воду смешивают со специальным илом и бактериями, которые «съедают» большую часть загрязнений и органики. В тёплой, насыщенной кислородом воде бактерии быстрее очищают воду. Источник: Мосводоканал Оседающий ил медленно убирается илососами. Вы, наверное, встречали фотографии очистных сооружений, где в круглых бассейнах от центра к краю построен мостик. Это и есть илосос, который медленно вращается, словно стрелка часов, и собирает со дна ил. К концу работы илососа вода становится визуальной чистой, но ещё не безопасной. Отстойники с илососами — самая узнаваемая часть очистных сооружений. Источник: Мосводоканал На последнем этапе воду на московских очистных сооружениях обеззараживают мощными кварцевыми лампами и затем сбрасывают в реку. Формально бывший канализационный сток чище, чем вода, забранная из реки для первичной очистки для водопровода. Кстати, ни хлорировать, ни озонировать канализационную воду нельзя, иначе остаточные следы газа и химикатов попадут в реку и заодно с бактериями уничтожат всё живое. Наглядная схема современной очистки от Мосводоканала. Источник: Мосводоканал

Очиститель воды в кармане

Идея портативного средства для очистки любой воды до уровня питьевой была актуальна всегда. Во время Первой мировой солдаты изготавливали фильтры из песка, гравия и кирпича, для индивидуального использования предназначались таблетки с хлором и дехлорирующий агент. Сейчас в российские военные ИРП вкладывают таблетки для обеззараживания воды с натриевой солью дихлоризоциануровой кислоты.

Это не рекламный трюк — портативный фильтр LifeStraw действительно позволяет пить воду из любых источников. Ну, или почти из любых… Источник: Vestergaard

В 2008 году настоящим прорывом стал трубчатый фильтр LifeStraw от швейцарской компании Vestergaard, через который можно пить воду буквально из любого водоёма, хоть из лужи. Отличием LifeStraw от типичных угольных фильтров стало применение трубчатой мембраны с порами в 0,2 микрона, которая справлялась с бактериями и паразитами лучше угля. Ранние версии LifeStraw не защищали от тяжёлых металлов и вирусов, но обновлённый LifeStraw Flex смог отфильтровать и их. Разные версии LifeStraw имеют ресурс от 1800 до 4000 литров и стоимость от $19,95.

Пучок тонких трубочек — это и есть мембранная фильтрующая система LifeStraw. Точно такая же, как на мембранных фильтрах московских очистных сооружений. Источник: YouTube Сейчас в продаже можно найти множество туристических бутылок и трубок с фильтрами, однако, стоит обращать внимание на фильтрующий элемент. Если в описании упоминается только уголь, не стоит рисковать, набирая воду из луж и стоячих водоёмов — ограничьтесь водопроводной водой. Уголь дезодорирует воду, убирает тяжёлые металлы и хлор, но пропускает вирусы и бактерии.

Сколько стоит очистка воды

Научно-техническая магия по превращению миллионов тонн отходов в воду звучит здорово, но сколько стоит такой сложный процесс? В открытом бюджете Москвы на сбор, удаление отходов и очистку сточных вод выделено около 900 млн.

рублей в год, и это только обеспечение работы уже действующей инфраструктуры. А затраты на обновление и строительство новых сооружений могут исчисляться миллиардами.

Это при том, что меры эффективного использования и экономии позволили снизить траты воды даже в Москве, хотя население столицы за 20 лет выросло на треть. По данным всё того же Мосводоканала, в 2018 году москвичи тратили около 3 млн кубометров воды.

Если в 1995 году каждый житель города сливал в канализацию порядка 450 литров в день, то теперь около 202 литров.

Важен и тот факт, что немалые деньги при очистке воды уходят на энергоснабжение. В США, к примеру, это 4% всей потребляемой электроэнергии.

Можно ли дешевле?

Если под рукой у предприятий водоснабжения нет дешёвых и экологически безопасных (редкое сочетание) источников энергии, то придётся обходиться тем, что есть, то есть использовать местные энергокомпании и платить им по установленным тарифам.

Некоторую экономию в перспективе может дать обновление оборудования станции, но для этого требуются серьёзные инвестиции. Остаётся один путь: повысить эффективность энергопотребления, не снижая качества очистки.

Для Японии энергозатратность очистки воды тоже стала проблемой — на это уходит 0,7% электроэнергии страны, а электричество на острове значительно дороже российского.

Юкио Хираока, главный специалист подразделения Water & Environmental Systems в Toshiba Infrastructure Systems & Solutions Corporation, предложил идею динамического изменения воздушного потока для аэрации воды в течение суток.

На аэрацию, необходимую для жизнедеятельности бактерий, приходится до 60% электроэнергии очистных сооружений, однако поток стоков меняется в зависимости от времени дня — в утренние и вечерние часы больше, ночью новых стоков почти нет, излишняя аэрация уже очищенной воды ничего не даст. А значит, вместо постоянного аэрирования на одной мощности, можно менять подачу воздуха, сохраняя эффективность очистки воды.

Система аэрации с надстройкой от Toshiba. Источник: Toshiba Для определения качества воды используется маркер NH4-N, количество которого говорит о готовности стоков к дальнейшей очистке. Основываясь на этом факте, Toshiba создала сенсор, который проверяет концентрацию NH4-N и количество растворенного в воде кислорода. Специальный софт считывает показания датчика и при необходимости «подкручивает вентиль», прекращая бессмысленную избыточную аэрацию.

Разработка Toshiba снизила воздушный поток на 10,3%, что позволило окупить её чуть больше, чем за два года и впоследствии снизить затраты на очистку воды за счёт уменьшения потребления электричества воздушными насосами.

Решение Toshiba не требует переоснащения очистных сооружений — это лишь сенсор, компьютер и ПО, но в случае применения решения в масштабах целой страны, например, России, экономия на очистке воды будет исчисляться миллиардами рублей.

Биологическая очистка воды

Сегодня стало очевидным, что угроза существованию жизни таится не столько в атомной опасности, сколько в угрожающей экологической ситуации. Серьезные опасения вызывает недостаток питьевой воды, ее качественные изменения, несоответствие санитарно-гигиеническим требованиям, неблагоприятные последствия употребления недоброкачественной воды для здоровья населения.

Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения отличается от других областей химической технологии тем, что процессы водоочистки происходят в больших объемах при небольшой концентрации растворенных веществ.

Большие объемы предполагают использование крупногабаритных установок, а небольшое количество извлекаемых примесей требует применения селективных методов обработки водного раствора.

Соответственно цель водоподготовки – обеспечить физические и биохимические показатели воды, определённые в ГОСТ для питьевого водоснабжения или соответствующие заданному технологическому циклу на предприятии и удовлетворяющие эксплуатационным условиям для оборудования.

Какие методы устранения загрязнений существуют

Природная вода – сложная дисперсная система, содержащая огромное количество растворенных и взвешенных примесей различного фазового состава, минеральной и органической природы.

Применить универсальный способ удалить такое множество веществ невозможно.

В процессах водоподготовки задействован целый комплекс методов, биологических технологий очистки воды, каждый из которых ориентирован на устранение определенной группы веществ.

В зависимости от направленности воздействия и применяемых инструментов существует четыре основных вида методов очистки воды:

Физические способы водоочистки востребованы в основном на подготовительном этапе водоподготовки. Это фильтрация, процеживание, отстаивание. Они направлены на устранение крупных включений из объемов воды, которые могут нарушить работу оборудования и быстро вывести из строя селективные фильтрующие материалы при дальнейшей обработке и селективной очистке воды.

Химические методы основаны на способности соединений вступать в химические реакции между собой. Вводя специальные реагенты для запуска определенных взаимодействий, можно перевести токсичные загрязнения в неопасные соединения, связать их в труднорастворимые комплексы или нерастворимые осадки, которые легко удалить фильтрацией или другим методом отделения.

Физико-химические процессы сочетают в себе комбинированное воздействие на подаваемую для очистки воду физическими явлениями и химическими реагентами.

Такие методы основаны на свойствах удаляемых примесей, активизировать которые помогают специально вводимые вещества, инициирующие химические и физические процессы.

С помощью физико-химической очистки убирают как минеральные загрязнители, так и органику, ионы металлов, растворенные газы.

Биологические способы очистки – это сравнительно молодые, но перспективные методы удаления из воды нежелательных элементов и соединений с участием живой микрофлоры, специальных бактерий, грибов. Суть – в выборочном поглощении живыми организмами загрязнителей из воды как питательного материала для своей жизнедеятельности.

Что входит в состав биологических методов очистки воды

Биологическая очистка воды чаще всего применяется в замкнутой системе водоснабжения путем адсорбции и окисления загрязняющих веществ в заранее подготовленном пласте активного ила. Шламовая его составляющая находится у донной части оборудования, а часть – в плавающей зафиксированной насадке.

Способность микроорганизмов выборочно употреблять для питания те или иные органические и минеральные соединения из очищаемой воды, позволяет подобрать виды живых бактерий для биологической очистки воды определенного химического состава.

Нитробактерии Nitrosomonas окисляют азотистые соединения в процессе жизнедеятельности, серобактерии нейтрализуют сероводород.

Микроорганизмы, участвующие в биологической очистке воды, содержатся в виде колоний в серо-бурой кашицеобразной субстанции с запахом земли – активном иле. Он легко отстаивается и оседает на дно, что позволяет быстро отделить чистую воду от отработавшего ила.

Все микроорганизмы для биологической очистки воды делятся на два класса в зависимости от условий, в которых они проявляют свою активность. Аэробной микрофлоре необходим кислород для жизнедеятельности и запуска процессов окисления. Напротив, питание и активное потребление питательных веществ анаэробными бактериями происходит только в бескислородном пространстве.

В зависимости от выбранного типа микроорганизмов корректируются эксплуатационные условия устройств для биологической очистки воды.

Процесс биоочистки воды проходит в особых сооружениях:

• биопрудах и на полях фильтрации;
• биологических фильтрах;
• аэротенках и метатенках.

Специфические микроорганизмы, продуцируя в активном иле, работают в качестве биоценоза минерализующей микрофлоры, способной адсорбировать органические и минеральные соединения на поверхности и окислять их. Во всех сооружениях кроме метатенков процессы окисления проходят с участием кислорода.

Биологические пруды как метод очистки

Биологические пруды – искусственно созданные или естественного происхождения водоемы со свободной аэрацией, на дне которых в активном иле живут микроорганизмы. На процессы биологической очистки воды благоприятно действуют растения прудов, особенно ряска, камыш, плавающий рдест, тростник, рогоз и роголистник.

Поля фильтрации организовывают на суглинистых, глинистых, торфяных, песчаных участках почв. Через почву, как фильтрующий материал пропускают воду.

Микроорганизмы, живущие в почве, параллельно очищают воду от растворенных и взвешенных примесей.

Это самые простые способы осуществления аэробной биологической очистки воды, не эффективные при высоких концентрациях примесей и большом потоке воды, но зато абсолютно не затратные и не нуждающиеся в постоянном контроле человеком.

Биологическая очистка на фильтрах

Биофильтр работает с использованием принципов физической фильтрации. Водный раствор пропускается через слой загрузки, предварительно покрытый биопленкой из аэробной микрофлоры. Чтобы живые организмы активно расщепляли загрязнения, воду в биофильтрах аэрируют принудительно. Однако возможна и естественная циркуляция воздуха.

Аэротенки и метатенки

Аэротенки отличаются более сложным устройством, чем биофильтры. Здесь биологическая очистка воды осуществляется при обязательной принудительной аэрации. Перед поступлением в аэротенк водный раствор перемешивают с активным илом, а затем пропускают через взвесь воздушный поток.

Воздух насыщает воду кислородом, активизирует процессы окисления и разложения загрязнителей, способствует постоянному перемешиванию раствора.

Если вместо воздуха аэрацию проводить кислородом, эффективность биологической очистки воды возрастает в разы, а такие установки носят название окситенки.

Бескислородная биологическая очистка сточных вод анаэробными микроорганизмами чаще всего проходит в метантенках. Главной особенностью процесса является отсутствие необходимости осуществлять аэрацию. А в качестве побочного продукта в результате химических процессов окисления и питания анаэробных организмов образуется биогаз.

В резервуар метатенка подается концентрированный осадок из отстойников. Там он подвергается брожению. Для ускорения процесса используют повышение температуры до 35°С при мезофильном брожении, и до 55°С при термофильном.

Процесс бескислородной очистки вод достаточно сложный, проходит в несколько этапов и заканчивается получением чистой воды и метана – дружественного для экологии топлива.

После механической и биологической очистки воды на выходе формируются разные осадки органических соединений.

Это крупные частицы, оседающие на фильтрах, осадок из первичных отстойников, активный ил или биологическая пленка, образующиеся в устройствах аэробной биологической очистки воды.

После измельчения такие отходы отправляются в специальный проток перед первичными отстойниками, улавливаются ими и перемещаются в сырой осадок. Суммарное количество осадков находится в пределах 1% объема обрабатываемой воды, из них 50 – 75% составляет активный ил.

Есть методики, использующие активированный уголь для увеличения эффективности биологической очистки вод. Его добавляют в воду на входе в аэротенки в количестве 150 – 250 мг/л или в адсорбер с принудительной аэрацией. Этот способ достаточно перспективен, так как повышает качество очистки воды и позволяет уменьшить габариты очистных установок на 20 – 30%.

Комплексный подход

В современных системах водоподготовки методы очистки используются комплексно, дополняют друг друга для повышения эффективности. Нет ни одного универсального способа избавить воду от всех загрязнений путем проведения одной технологической операции.

Мы видим сложные фильтрующие системы в квартирах и домах, состоящие из предварительной фильтрации, установок ионного обмена и обратного осмоса, аэрационных колонок и УФ-стерилизаторов.

На предприятиях, где водооборот значительно больше, применяют мощное оборудование, задействующее физические, химические, электрические свойства примесей, биологическую очистку воды в аэробных и анаэробных условиях. Важно правильно подобрать очистительные сооружения под состав загрязнений и реализовать их бесперебойную работу в заданных условиях.

Анализ питьевой воды: все, что вы хотели об этом знать

В нашей жизни огромное значение имеет вода. Каждый человек использует ее дома в пищевых и гигиенических целях. Немаловажную роль она играет и в промышленности. Поэтому был создан ряд документов относительно стандартов качества, которым должна отвечать вода, в частности, питьевая. Нормы и правила, существующие в каждой стране, закрепляют порог концентрации различных веществ, которые могут находиться в составе питьевой воды. Речь может идти об ионах тяжелых металлов, нефтепродуктах и других веществах, наличие которых не вызывает специфического запаха или вкуса. Для того чтобы обнаружить их, необходимо провести анализ питьевой воды. В наши дни создано множество методов такого анализа, позволяющих точно определить наличие и концентрацию этих веществ.

Из этой статьи вы узнаете:

• Для чего делают анализ питьевой воды
• Какими методами проводится анализ питьевой воды
• Какие показатели учитываются при анализе питьевой воды
• Для чего нужен анализ воды из скважины
• Сколько стоит анализ питьевой воды
• Где лучше провести анализ питьевой воды

Для чего проводится анализ питьевой воды

Сейчас даже дети знают, что перед применением питьевой воды ее нужно подвергнуть очистке. Однако необходимо понимать, что перед очисткой должен быть проведен анализ. Ни в коем случае не следует пропускать этот этап, поскольку без него нельзя подобрать правильный метод очистки.

Дело в том, что источник воды, особенности трубопровода и многие другие факторы определенным образом влияют на качество жидкости и на то, какие примеси будут преобладать в ее составе. При этом универсального фильтра, который мог бы справляться со всеми примесями, не существует.

Но если провести анализ питьевой воды, вы будете знать, от каких элементов ее требуется очистить, и сможете подобрать именно тот фильтр, который будет полезен в данном случае.

Читайте на нашем сайте:

• Виды фильтров для воды и их характеристики
• Как установить фильтр для воды – полезные советы
• Как пить воду правильно: практические рекомендации

Анализ качества питьевой воды предполагает определение ее состава на химическом и физическом уровнях. Особое внимание уделяется вредным примесям, среди которых:

• Бактерии и микроорганизмы;
• Ионы тяжелых металлов;
• Соли;
• Хлор;
• Другие химические соединения и элементы;
• Примеси механического характера.

Загрязняющие вещества могут иметь разное происхождение. В частности, питьевая вода может являться средой обитания различных микроорганизмов, поэтому их в первую очередь стремятся обнаружить при анализе.

Самым распространенным способом борьбы с бактериями в городах является хлорирование, которое не только эффективно удаляет загрязнение, но и не требует больших затрат.

Однако анализ такой воды показывает повышенный уровень хлора, соответственно, ее нежелательно употреблять в качестве питьевой.

Также анализ питьевой воды может выявить примеси, наличие которых связано непосредственно с деятельностью людей.

Некоторые загрязнители могут попадать в водоемы вследствие слива промышленных отходов или попадания в реки и озера сточных вод. Еще один фактор риска – старые коммуникации.

В городах, где давно не меняли трубы, анализ часто показывает превышенную концентрацию некоторых вредных веществ.

Анализ питьевых и природных вод может показывать совершенно разные результаты в разных городах и регионах. Без предварительного анализа правильный фильтр подобрать невозможно.

Читайте на нашем сайте: Очистка воды в загородном доме: особенности и типы оборудования

Анализ каких показателей питьевой воды осуществляется

Когда проводится анализ питьевой воды, показателями, по которым судят о ее качестве, являются следующие:

• Активность ионов водорода. В норме содержание этих ионов колеблется от 6 до 9 (pH). Если показатель превышен, это зачастую можно определить самостоятельно, поскольку питьевая вода будет казаться мыльной и иметь неприятные привкус и запах. Однако опасен и низкий уровень, так как он говорит о высокой кислотности.
• Уровень жесткости. За этим термином скрывается анализ питьевой воды по показателям концентрации таких веществ, как кальций и магний. Всем известны свойства «жесткой» воды: ее не стоит использовать не только в качестве питьевой, но и для бытовых целей, поскольку упомянутые выше вещества провоцируют образование накипи на элементах бытовой техники. Нормальный уровень жесткости устанавливает СанПиН 2.1.4.1074-01. Он составляет от 7 до 10 мг-экв/л (или не более 350 мг/л).
• Минерализация (сухой остаток)

Исследовательский проект «Способы очистки воды разными фильтрами»

Вода, единственное соединение на планете существующее в природе в виде трех агрегатных состояний: жидкое, твердое, газообразное. Является универсальным растворителем, обладает “памятью”, необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.

Статистика последних лет показывает, что количество пресной воды на планете уменьшается.

В результате зарегулирования рек, строительства на них водохранилищ, периодически возникающих аварийных ситуаций, выброса промышленных отходов и неочищенных коммунально- бытовых стоков в русло пресных водоемов приводят к загрязнению не только наземных, но и подземных бассейнов.

Качество пресной воды ухудшается из-за увеличения цветности, появления привкусов и запахов, наличия повышенного содержания органических примесей, пестицидов и других химических соединений. Используемые фильтры и обеззараживающие соединения в водопроводных очистных сооружениях не эффективны, а порой даже не безопасны.

В результате в питьевой воде, потребляемой населением, содержатся практически те же загрязнения, что и в природной. Проблема обеспечения населения питьевой водой, отвечающей требованиям стандарта, является одной из основных и требует комплексного и эффективного решения.

С неэффективностью очистительных фильтров местных водонапорных станций мы сталкивакмся ежедневно, поэтому исследовательская работа посвящена поиску создания фильтра способного устранять или улучшать качество питьевой воды. Это стало главной целью исследований.

Главная задача в создании фильтров – подбор компонентов способных устранять запах, улучшать вкусовые качества, задерживать не только не растворимые в воде примеси, но и примеси находящихся во взвешенном состоянии. Для решения поставленной задачи использованы различные методы исследования: анализ литературных и интернет источников, химический анализ на определение жесткости и кислотно – щелочной среды, способы очистки воды от примесей, анализ и подбор наиболее безопасного для здоровья, но эффективного обеззараживающего метода.

1.1 Способы очистки воды методом отстаивания

Отстаивание используют для удаления из воды хлора. Для этого водопроводную воду наливают в емкость и оставляют на несколько часов. Газообразный хлор удаляется с 1/3 глубины от поверхности воды. После отстаивания воду необходимо кипятить.

1.2 Способы очистки воды методом фильтрования

Данный способ очищает воду только от нерастворимых примесей, при этом растворимые соли, вирусы, бактерии, микроорганизмы остаются.

1.3 Способы очистки воды методом кипячения

Кипячение используют для уничтожения вирусов. Бактерий, микроорганизмов, удаления хлора. Недостатки: при кипячении вода меняет структуру из-за испарения кислорода, концентрация солей в оставшемся объеме увеличивается из-за испарения воды, многие вирусы гибнут при более высокой температуре, образуется дополнительный хлороформ вызывающий раковые заболевания.

1.4 Способы очистки воды методом кристаллизации

Метод основан на химическом законе, согласно которому при замерзании жидкости, сначала в наиболее холодном месте кристаллизуется основное вещество, а в наименее холодном затвердевает все, что было растворено в основном веществе. Недостатки: метод требует медленного замораживания, не все растворимые соли осаждаются на дне сосуда.

1.5 Способы очистки воды методом дистилляции

Метод основан на свойствах воды изменять агрегатное состояние в зависимости от температуры. Так при кипячении вода из жидкого состояния переходит в газообразное. Оставляя на дне емкости растворимые в ней соли, вирусы, бактерии.

Поднимаясь вверх и двигаясь по газоотводному приемнику дистиллятора охлаждается и переходит в жидкое состояние.

Недостатки: легкая хлорорганика перегоняется вместе с водяным паром, уничтожаются важные микроэлементы, дистиллированная вода при длительном употреблении вымывает из организма соли кальция, железа и многие другие.

1.6 Методы обеззараживания воды алюмокалиевыми квасцами

В домашних условиях обеззараживание воды от бактерий осуществляют путем добавления 1гр соли на 4л воды. Алюмокалиевые квасцы очищают воду за счет образования продуктов гидролиза от бактерий, взвешенных частиц и примесей органических веществ, выделившаяся серная кислота нейтрализует воду, имеющую щелочную реакцию. Выпавший осадок удаляется фильтрованием.

1.7 Озонирование

Один из наиболее реальных и высокоэффективных методов очистки воды, позволяющий существенно улучшить качество питьевой и очищенной сточной воды, решить проблемы здравоохранения и экологии.

Преимущества метода: возможность получения озона на месте применения; высокая активность озона в отношении обеззараживания воды от бактерий и вирусов; одновременно с обеззараживанием происходит обесцвечивание воды, устраняются запахи и привкусы; не изменяет натуральные свойства воды; заменяет традиционные методы хлорирования, ультразвук, фильтрацию и другие. Недостатки: большие затраты электроэнергии.

1.8 Хлорирование

Хлор давно используется в качестве основного обеззараживающего реагента практически во всех очистных предприятиях России.

Механизм бактерицидного действия хлора заключается во взаимодействии с составными частями клетки микроорганизма, что приводит к нарушению обмена веществ в клетке и отмиранию микроорганизмов.

Недостатки: хлор сильнодействующее ядовитое вещество; способствует образованию в воде токсичных и хлорорганических соединений; обладает последействием; очистные станции использующие хлор являются объектами повышенной опасности.

1.9 Гипохлорит натрия

Применяется в жидком виде, получают на месте применения электрохимическим способом. Эффективен против большинства болезнетворных микроорганизмов, безопасен при использовании и хранении.

Недостатки: неэффективен против цист; при хранении теряет активность и выделяет газообразный хлор; после использования образует большое количество побочных продуктов; требует немедленного использования сразу после получения.

Для проведения эксперимента были взяты образцы воды из трех разных источников: водопроводная, вода подземного бассейна, вода из природного водоема г.Краснодара, п.Северного. проведен анализ каждого образца и выбран для дальнейшего исследования наиболее загрязненный источник. Все исследования проводились поэтапно независимо от способа очистки в одинаковой последовательности.

Цели:

• получить фильтр максимально очищающий воду от примесей;
• уменьшить показатель щелочной среды;
• очистить воду от неприятных запахов;
• улучшить вкус воды;
• снизить содержание растворимых солей;
• уменьшить показатель жесткости воды.

Задачи:

• подобрать компоненты фильтра на основе их характеристик удовлетворяющие поставленным целям;
• определить фильтр наиболее эффективно очищающий воду от примесей и неприятных запахов;
• определить наиболее безопасный, но эффективный обеззараживающий способ очистки воды;
• по результатам исследований разработать ряд рекомендаций для органов местного самоуправления по использованию в водоочистительных станциях наиболее эффективных способов очистки воды.

Методика последовательного исследования:

• отстаивание;
• фильтрование;
• определение кислотно-щелочной среды раствора или фильтрата;
• определение жесткости раствора или фильтрата.

Метод исследования:

химический (экспериментальный).

Оборудование:

образцы проб трех различных источников, универсальная индикаторная бумага, шкала определения рН среды, мыльный раствор туалетного мыла, ватные диски, активированный уголь, песок, древесные опилки, поваренная соль, стеклянные: колбы, воронки, палочки.

Предмет исследования:

Химия. Здоровье человека.

Актуальность исследования:

Вода жизненно важное соединение и от ее качества зависит здоровье, долголетие человека, а так же всех живых организмов.

2.1 Анализ образцов проб воды из разных источников

Для анализа взяты образцы проб пресной воды из трех различных источников: образец №1 – водопроводная вода, образец №2 – вода подземного бассейна (колодезная), образец №3 – вода из природного водоема г. Краснодара, п.Северного (приложение 1).

В результате проведения ряда последовательных экспериментов получены следующие результаты: отстаивание представленных образцов (приложение 2а) показало наличие не растворимых солей в каждом образце; фильтрование (приложение 2б) – наличие загрязнителей во всех образцах даже после отстаивания; определение кислотно – щелочной (рН) среды раствора – все три образца (приложение 3) имеют щелочную среду, причем содержание щелочи в водопроводной воде значительно выше чем в колодезной, но меньше чем у природного источника. Вывод: не рекомендуется пить сырую водопроводную воду из-за повышенного содержания щелочи, купаться или брать воду для хозяйственных нужд из природного источника; определение жесткости воды (приложение 4) показало содержание во всех трех образцах повышенное содержание солей кальция и магния.

Для дальнейших исследований выбрана вода наиболее загрязненного источника – природного водоема (образец №3).

2.2 Очистка воды методом кристаллизации

Выбранный образец (приложение 5) подвергли кристаллизации с последующим удалением нижней части содержащей нерастворимые примеси. Произвели размораживание при комнатной температуре и провели анализ полученного образца. Результат выявил не эффективность данного метода по очистке воды от растворимых солей (приложение 5).

2.3 Очистка воды из природного водоема сложными фильтрами и ее анализ

2.3.1 Фильтровальный диск – опилки

Анализ полученного фильтрата (приложение 6) показал не эффективность использования при очистке воды данного фильтра, так как показатель щелочной среды не изменился, жесткость воды осталась в неизменном виде, о чем говорит масса хлопьев на поверхности фильтрата.

2.3.2 Фильтровальный диск – песок – опилки

Через трехслойный фильтр (приложение 7) пропустили исследуемый образец. Проанализировали полученный фильтрат (приложение 7). Результат: щелочная среда фильтрата уменьшилась с интервала 10 – 11 до 9 – 10; количество хлопьев на поверхности фильтрата значительно сократилось, что доказывает снижение содержание солей кальция и магния, уменьшение жесткости воды.

2.3.3 Фильтровальный диск – активированный уголь

Активированный уголь выступает в роли сорбента при фильтровании поглощая вредные примеси и неприятный запах, поэтому он был выбран в качестве компонента фильтра.

Произвели фильтрование образца №3 через фильтр, фильтрат подвергли поэтапному химическому анализу. Результат: свойства фильтрата в сравнении с образцом не изменились (приложение 8).

Вывод: активированный уголь не способствует снижению содержания солей и щелочной среды.

2.3.4 Фильтровальный диск – активированный уголь – опилки

Показатель жесткости воды и рН среды в полученном фильтрате изменился, но незначительно (приложение 9). Вывод: данный фильтр улучшает качество воды, но не является эффективным.

2.3.5 Фильтровальный диск – активированный уголь – поваренная соль – активированный уголь

Анализ фильтрата полученного из сложного четырехслойного фильтра (приложение 10) показал эффективность его использования, так как: 1 – щелочная среда фильтрата уменьшилась по сравнению с исходным образцом с интервала 10 – 11 до 8 – 9; 2 – жесткость воды уменьшилась, что доказывает снижение содержание растворимых солей.

• Проведенные исследования проб воды взятой из трех разных источников показали:
• 1 – неэффективность использования очистительных фильтров в водоочистительных станциях. Водопроводная вода содержит растворимые и нерастворимые в воде соли содержание которых превышает установленные нормы, вода жесткая, с повышенной щелочной средой;
• 2 – вода подземного бассейна содержит различные загрязнители так же превышающие установленные нормы;
• 3 – проба воды взятой из наземного природного водоема вызывает наибольшие опасения из – за наличия цветности, запаха, примесей во много раз превышающие нормы и тем самым опасны для нормальной жизнедеятельности живых организмов водоема, показатель щелочной среды находится на критической отметке.

Для дальнейших исследований был выбран образец пробы воды из природного водоема показавший наиболее отрицательный результат. В ходе проведения экспериментальных работ и анализа полученных фильтратов возникли трудности в подборе слоев фильтра способных максимально устранить выявленные ранее отрицательные показатели.

Однако, не смотря на всю сложность эксперимента, были достигнуты неплохие результаты. Если использовать сложный многослойный фильтр, состоящий из: фильтра, активированного угля, поваренной соли и песка в комплексе с озонированием будет достигнут конечный результат удовлетворяющий поставленным целям.

На основании вышеизложенного составлен ряд предложений рекомендательного характера для органов местного самоуправления:

1. Использовать в имеющихся очистительных водонапорных станциях комплексного подхода в очистке питьевой воды от примесей состоящего из: сложного четырехслойного фильтра с последующим озонированием фильтрата;

2. Закончить строительство водоочистительной станции в г. Краснодаре, п.Северном и подключить жителей к централизованному водопроводу.

Проблема качества питьевой воды и способов ее очистки всегда была, есть и будет актуальной. Исследование в данном направлении нельзя прекращать, а методику данных исследований включить в один из разделов элективного курса по выбору “Практическая химия”.

Приложения.

Список использованной литературы

1. Г.А. Скоробогатов, А.И. Калинин “Водопроводная вода. Ее химические загрязнения и способы доочистки в домашних условиях” – СПб/издательство С.-Петерб., 2003
2. Краузер Б.; Фридмантл М. Химия. Лабораторный практикум.- М:Химия, 1995
3. Чебышев Н.; Каган Б. Высшая школа 21-го века: Проблема качества//Высшее образование в России.- 2000
4. Фридмантл М. “Химия в действии”. М. “Мир” 1991
5. И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская Учебник для 9 кл. общеобразовательных учреждений/ 4-е изд. М.:ООО ТИД “Русское слово”, 2009
6. И.И. Новошинский, Н.С. Новошинская Учебник для 8 кл. общеобразовательных учреждений/ 4-е изд. М.:ООО ТИД “Русское слово”, 2009

30.04.2015