Автор: Антон Кораблёв
Цветность воды в природных источниках зависит от примесей в них содержащихся, как органической, так и неорганической природы. Как правило, это требует очистки воды – обесцвечивания, потому что цвет имеет значение и может сказаться на здоровье людей. Не сам цвет, но то, что его вызывает.
Вода – бесцветная жидкость, без вкуса и запаха. Этому нас учат со времён школы. Долгое время считалось, что высокая цветность воды, которая встречается в природе, приводит лишь к ухудшению органолептических свойств, однако исследования показали, что употребление питьевой воды с повышенной цветностью создаёт риски здоровью.
Природный цвет и его вариации
Природными источниками водоснабжения являются поверхностные водные объекты, такие как водоемы, водотоки, природные выходы подземных вод, тающие ледники (Водный кодекс Российской Федерации), а также скважины и прочие водные объекты естественного или техногенного происхождения. За ними следует вести надзор качества воды – мониторинг.
Нормативным документом санитарно-эпидемиологического надзора, в котором приведены требования к источникам централизованного питьевого водоснабжения, является ГОСТ 2761-84 «Источники хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора», актуальны также СанПиН 2.1.4.1074-01», актуальны также «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения», а также СанПиН 2.1.4.1110-02 «Зоны санитарной охраны источников водоснабжения и водопроводов питьевого назначения». Везде приводятся требования в чистоте воды, её обесцвечиванию.
В большинстве природных вод цветность часто вызвана присутствием в них неорганических соединений Fe2+. Находясь в растворённом состоянии, они придают воде красновато-бурое окрашивание. Сопутствующие им загрязнения солями марганца придаёт воде черноватый оттенок.
Кроме растворов, примеси соединений железа могут находиться в коллоидном состоянии, дающие красноватое окрашивание, и в виде комплексных соединений с жёлтым оттенком.
Органические вещества, дающие цвет воде, условно делятся на семейство гумусовых кислот и танины.
Гумусовые кислоты поступают в воду из торфяников. Эти примеси также могут находиться в растворённом, взвешенном и коллоидном состоянии. Они образуют с катионами металлов солей прочные комплексные соединения, чему способствует присутствие в этих примесях карбоксильных, фенил-гидроксильных и аминовых групп. Часто эти соединения растворимы.
Содержание железа в воде не должно превышать 0,3 мг/л. Избыток железа, в первую очередь, оказывает токсическое влияние на печень, селезенку, головной мозг, может усиливать протекание воспалительных процессов (рис. 1).
Дефицит железа в организме приводит к анемии, патологиям сердечной мышцы и скелетных мышц, а также может быть причиной снижения иммунитета. Железо незаменимо в процессах кроветворения и внутриклеточного обмена.
В семейство танинов включены не индивидуальные химические соединения, а набор веществ с ароматическими кольцами с несколькими оксигруппами, а также соединения, в молекулах которых имеются гетероциклические и азотсодержащие фрагменты. Эти вещества – продукты конденсации ароматических фенолов с аминокислотами и протеинами.
Анализ цветности
Цветность измеряется в градусах платинокобальтовой шкалы, в которой используются окрашенные растворы солей кобальта и платины определенной концентрации. Сравнение проводится путём сравнения проб с окрашенными. Практически бесцветной, по восприятию человеческим глазом считается вода с цветностью менее 20˚. Вода из поверхностного источника в период летнего «цветения» будет соответствовать примерно 120˚. Окрашенные вода делятся на категории цветности (табл.).
ГОСТ Р 52769-2007 предлагает два метода определения: визуальный и фотометрический. Визуальный сравнивает образцы с контрольными «на глаз». В фотометрическом для определения цветности используется как платинокобальтовая шкала с определением оптической плотности при 410 нм, так и хромокобальтовая шкала с определением оптической плотности при 380 нм (рис. 2, 3).
Промышленное обесцвечивание
Методы удаления цветности из воды сводятся к сепарационным и деструктивным. По мнению специалистов более перспективными являются способы, разрушающие примеси без вторичного загрязнения. Фильтрация самый простой сепарационный метод понижения цветности воды. Фильтрацией удаляется фитопланктон, механические примеси и взвешенные вещества. На станциях водоочистки для этих целей применяются обычно насыпные песчаные или гравийные насыпные установки медленной фильтрации, а в системах автономной водоочистки сетчатые фильтры.
Но наиболее распространённым методом понижения цветности является коагуляция. Обычно этим методом удаётся понизить цветность со 120˚ (значение, принимаемое при разработке) до 30-40˚. Коагуляция проводится при дозировании коагулянтов на основе многозарядных катионов металлов. Понижение цветности происходит и при подщелачивании воды Ca(OH)2 и Na2CO3, которое приводит к выпадению в осадок примесей цветности.
Для повышения эффективности коагуляции в обрабатываемую воду вносят флокулянты, одним из которых является полиакриламид.
Ввиду громоздкости оборудования и длительности процесса, коагуляция в системах автономной водоочистки не применяется. Ещё одним деструктивным способом обесцвечивания воды является озонирование. Этот метод основан на способах окисления растворимых примесей цветности из числа неорганических соединений железа и марганца. Эти соединения легко окисляются кислородом воздуха в присутствии катализаторов, переходя в нерастворимое состояние, но если в их состав входят также коллоидные частицы и органические соединения железа, то процесс очистки усложняется. Теперь для их окисления требуются более сильные окислители озон или активный хлор.
Для обесцвечивания озонированием природных вод из поверхностных источников в северных и центральных районах России до нормативных показателей требуется около 2,5 мг/л озона, а для южных районов, где цветность вод значительно выше, 8 мг/л озона.
Механизм воздействия озона на вещества, ответственные за цветность воды двоякий. Во-первых, озон вызывает окисление и деструкцию органических веществ до безвредных простых соединений. Во-вторых, воздействие озона на окрашенные примеси приводит к их коагуляции, вследствие которой они выпадают в осадок. Эффективное обесцвечивание без образования вредных продуктов путём озонирования часто является главной причиной при выборе способа обработки воды, однако обработка озоном довольно дорогой метод, он требует больших расходов энергии и существенных капиталовложений. Часто для обесцвечивания воды окислением используется её обработка активным хлором.
Как известно активный хлор и так применяется для обеззараживания воды. Помимо этого в рамках так называемого предварительного хлорирования иногда производится обесцвечивание окрашенных вод. При такой обработке одновременно с деструкцией и коагуляцией примесей происходит их хлорирование. Образованные хлорсодержащие примеси не являются окрашенными, но остаются в растворе и порой обладают достаточно высокой токсичностью и канцерогенными свойствами.
Удаление таких продуктов вызывает дополнительные трудности.
Обесцвечивание в быту
В системах индивидуальной водоочистки для обесцвечивания воды большое распространение получили методы сорбционной и ионообменной фильтрации. Применение ионообменной фильтрации для понижения цветности основано не том, что многие молекулы цветности имеют полярные группы, способные к взаимодействию с ионитами. Ионообменное обесцвечивание воды проводится одновременно с умягчением – понижением жёсткости (рис. 4). Для эффективного извлечения из воды окрашенных примесей необходим длительный контакт очищаемой воды с ионообменной смолой. Поэтому при минимальной высоте слоя ионита в 90см продолжительность прохождения воды должна составлять 3-5 мин. Существенным недостатком этого метода можно считать трудности, возникающие при регенерации ионитов. Отмывка смол после поглощения ими примесей цветности чрезвычайно длительный и трудоёмкий процесс.
Для упрощения регенерации часто используют комбинированную ионообменную фильтрацию, в которой на слой смолы для умягчения добавляют слой анионообменной смолы, удаляющей примеси цветности. Однако такой приём можно использовать только в случае содержания в воде примесей органической природы менее 7ммоль/л и невысокой жёсткости. Если же жёсткость воды выше и концентрация примесей цветности больше, то следует применять раздельную ионообменную фильтрацию.
Кроме этого для облегчения отмывки используют макропористые ионообменные смолы на основе сополимеров стирола, в которых за счёт большого числа сшивок примеси не могут глубоко проникать в поры.
Часто присутствие в воде органических примесей цветности приводит к биозарастанию ионообменных смол. Биоплёнки покрывают зёрна ионитов и блокируют функциональные группы, а также затрудняют регенерацию. Для защиты ионитов применяют органопоглотители (скэвэнджеры). Этот тип фильтрационной среды размещают в предфильтрах перед ионообменной фильтрацией. Органопоглотители относительно легко регенерируются либо раствором щёлочи, либо щелочным раствором поваренной соли.
Адсорбционная очистка на активированных углях (рис. 5) наиболее эффективно удаляет гидрофобные примеси цветности.
Этот сорбент хорошо поглощает фенолы, полициклические ароматические соединения, нефтепродукты, фосфорорганические пестициды и многие другие органические и хлорсодержащие продукты. Самыми подходящими для этой цели являются древесные активированные угли. Они имеют крупные поры и устойчивы к истиранию. К недостаткам относят сложность их регенерации, которая проводится с помощью каустической соды и и растворителей, а также путём прокаливания активированных углей в печах. Такой процесс можно осуществить только в производственных условиях. Поэтому в автономных системах очистки воды отработанные угольные фильтры заменяют новыми.
Грязная вода
Водопроводная питьевая вода может приобретать цветность в результате загрязнения при транспортировке по трубопроводам (рис. 6). Красновато-бурый цвет такой воды обусловлен присутствием в ней мелкодисперсного осадка железа в окисной форме. Эти примеси вымываются из старых труб при значении рН ниже 6,6. Правда, такие примеси почти сразу оседают на дне посуды в виде бурых частичек. Устранить их можно отстаиванием или установкой на трубопровод сетчатого фильтра.
Коричневый оттенок водопроводной воды, не образующий осадка, бывает вызван присутствием железистых бактерий, размножившихся в трубопроводах. Мутно-молочный цвет водопроводной воды может быть вызван избытком коагулянта в результате его передозировки на станции водоочистки или из-за создания водно-воздушной суспензии из-за неисправности насоса.
Во избежание неприятностей окрашенную водопроводную воду лучше употребить только после прогонки её через бытовую систему доочистки.