Пригодности воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Оценка агрессивности подземных вод

Для гидрогеологических исследований данные о химическом составе подземных вод чрезвычайно важны. Химический анализ является основой для изучения генезиса подземных вод, оценки пригодности их для бытовых и промышленных нужд, лечебных целей, агрессивности по отношению к бетонным и металлическим конструкциям. Выбор типа анализа подземных вод (полевые сокращенные и полные общие, специальные) зависит от задач и целей исследований. Они могут проводиться как в полевых, так и в стационарных условиях.

Результаты химических анализов воды выражают в весовой, эквивалентной и процент - эквивалентной формах.

Весовая форма представляет собой отражение ионно-солевого состава воды как содержания в ней определенных количеств отдельных ионов в миллиграммах на 1 л (дм³)раствора или 1 кг воды.

Эквивалентная форма записи состава вод позволяет выполнить соотношение между ионами с точки зрения их участия в химических реакциях, оценить качество анализа и вычислить содержание некоторых макрокомпонентов без непосредственного их определения. На основе эквивалентной формы часто устанавливают генезис природных вод.

Расчет эквивалентной формы основан на понятии химического эквивалента. Химическим эквивалентом Э называется такое количество вещества, которое вступает в химические реакции взаимодействия с 1 частью ионов Н⁺ или 8 частями ионов О^2- по массе. Вычисляется Э как отношение атомного веса иона, выраженного в граммах, к абсолютной величине его заряда. Химический эквивалент, выраженный в граммах, представляет собой количество вещества, обладающее таким же суммарным зарядом, как и 6,2*10²³ (число Авагадро) частиц однозарядного иона.

В гидрогеологических и гидрологических исследованиях в качестве эквивалентной формы используется миллиграмм - эквивалентная, т.е. количество миллиграмм-эквивалентов иона в 1 л (дм³) раствора:

[мг-экв/дм³] = [мг/дм³*1/Э] = [мг/дм³*К],

где Э – химический эквивалент иона; К – переводной коэффициент, К=1/Э (таблица 4).

Таблица 4 - Эквиваленты и переводные коэффициенты наиболее распространенных ионов природных вод

На основе эквивалентной формы выражения концентрации ионов можно оценить погрешность химического анализа воды. Основана эта оценка на принципе электронейтральности раствора, исходя из которого сумма концентраций катионов (положительно заряженных ионов), выраженных в миллиграмм - эквивалентах на литр, должна быть равна сумме содержания анионов (отрицательно заряженных ионов), представленных также в эквивалентной форме: .

Однако реальный химический анализ не всегда обеспечивает достаточную точность и поэтому равенство не выполняется. Ошибка анализа

.

Анализ воды считается кондиционным (выполненным качественно), если погрешность Е<5%. Контроль по формуле возможен только в тех случаях, когда проведено раздельное определение каждого основного иона (макрокомпонента).

Часто, особенно в полевых условиях, невозможно провести определение таких макрокомпонентов, как Na⁺ и K⁺. Тогда сумму этих ионов, основываясь на принципе электронейтральности, вычисляют как разность:

r (Na⁺+K⁺)= ,

где - сумма концентраций основных анионов; - сумма концентраций всех основных катионов, определенных в ходе анализа (обычно Ca²⁺, Mg²⁺).

Процент - эквивалентная форма показывает относительную долю участия того или иного иона в формировании ионно-солевого состава воды. Ее получают из эквивалентной. Для вычисления процентного содержания анионов их сумму принимают за 100% и рассчитывают процент содержания каждого аниона по отношению к их сумме. Для катионов проводят аналогичные вычисления.

Процент - эквивалентная форма наглядно представляет ионно-солевой состав воды, соотношения между ионами, а также позволяет устанавливать черты сходства вод, различающихся по минерализации. Кроме того, она является основной для систематизации химических анализов в виде формул и графиков.

Определение общей минерализации воды

Минерализация воды М – это сумма минеральных веществ в граммах или миллиграммах, содержащихся в 1 л (дм³) воды. Для определения М суммируют содержание всех ионов, определенных химическим анализом и выраженных в весовой форме.

По минерализации воды подразделяются на следующие группы [6]:

Определение видов жесткости

Жесткость воды определяется присутствием в ней солей Ca²⁺ и Mg^2+. Для вод, используемых в хозяйственных и технических целях, жесткость имеет большое значение. Различают общую, карбонатную, устранимую (временную), некарбонатную, неустранимую (постоянную) жесткости.

Общая жесткость Ж₀ определяется как сумма миллиграмм-эквивалентов ионов Ca²⁺ и Mg²⁺ в 1 л (дм³) воды и слагается она из карбонатной (Ж_к) и некарбонатной (Ж_нк):

Ж₀ = Ж_к + Ж_нк; Ж₀ = rCa²⁺ + rMg²⁺.

Устранимая (временная) и карбонатная жесткости вызываются наличием в воде одних тех же гидрокарбонатных и карбонатных солей кальции и магния. Разница между ними заключается в том, что устранимая жесткость есть величина экспериментальная, показывающая, насколько уменьшилась общей жесткостью после длительного кипячения пробы, в карбонатная жесткость является величиной расчетной. Устранимая жесткость всегда меньше карбонатной.

Для определения карбонатной жесткости необходимо учитывать два возможных соотношения между суммами миллиграмм – эквивалент

1) если [rCa + rMg] [rHCO₃^- + rCO₃^2-], то карбонатная жесткость равна общей жесткости, поскольку больше общей жесткости она не может быть

Жо = Жк=rCa²⁺ + rMg²⁺;

2) если [rCa²⁺ + rMg^2+] > [rHCO₃^- + rCO₃^2-], то карбонатная жесткость воды меньше общей жесткости и эквивалентны содержанию rHCO₃^- + rCO₃^2-, т.е. Жк = rHCO₃^- + rCO₃ ^2-.

Неустранимая (постоянная) жесткость равна разности между общей жесткостью и устранимой. Некарбонатная жесткость равна разности между общей жесткостью и карбонатной.

Подземные воды по общей жесткости подразделяются на пять групп (по О.А. Алекину) [6]:

Формула Курлова

Для наглядного изображения химического состава подземных вод используется формула Курлова, которая представляет собой псевдодробь, в числителе которой слева направо записывают анионы в процент - эквивалентах в порядке их убывания, а в знаменателе в том же порядке – катионы. Количество анионов и катионов округляется до целых чисел. Слева от дроби записывают минерализацию в граммах на литр, а также содержание в миллиграммах на литре некоторых специфических компонентов и газовый состав. Справа от дроби указывается величина рН воды и ее температура. Формула Курлова для воды Мирового океана, например, имеет вид

По формуле Курлова дается название воды. В него включают все ионы (сначала анионы, затем катионы), содержание которых превышает 25%.Согласно Е.В. Посохову «… при составлении химического названия воды необходимо соблюдать элементарные правила русского языка, согласно которым основное прилагательное пишется полностью, а прилагательное, указывающее на второстепенное свойство предмета, пишется сокращенно» [9]. Если в химическом составе воды преобладают хлоридные и сульфатные анионы, причем сульфатного больше, то воду следует называть хлоридно-сульфатной. Так, если химический состав воды записан в виде формулы Курлова следующим образом:

,

то данная вода будет называться гидрокарбонатной магниево-кальциевой, пресной, с щелочной реакцией.

Оценка пригодности воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения

Оценка пригодности вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, производится по органолептическим, токсикологическим и микробиологическим показателям. Согласно требованиям к качеству таких вод регламентируется СанПиНом 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».

Органолептические показатели, могущие вызвать неприятные (нежелательные) ощущения (запах, привкус, цвет, мутность), нормированы следующим образом: запах при 20 ⁰С и нагревании до 60 ⁰С не должен превышать 2 балов; цветность по платиново-кобальтовой шкале должна быть не более 20⁰; мутность по стандартной шкале не более 1,5 мг/дм³.

Концентрации химических веществ, влияющих на органолептические свойства воды, не должны превышать следующих нормативов [11]:

*- Величина, указанная в скобках, может быть установлена на постановлению главного санитарного врача по соответствующей территории для конкретной системы водоснабжения на основании санитарно-эпидемиологической обстановки в населенном пункте и применяемой технологии водоподготовки.

Токсикологические показатели качества воды характеризуют безвредность ее химического состава для человеческого организма. Концентрации в воде токсичных химических веществ определяются следующими нормативами [11]:

Микробиологические показатели, характеризующие бактериальный биоценоз воды, должен соответствовать следующим нормам [9]:

1) общее количество бактерий в 1 мл неразбавленной воды не более 100;

2) коли-титр (количество воды, в котором встречается одна бактерия кишечной палочки типа Coli) не менее 300 г;

3) коли-индекс (количество бактерий группы кишечной палочки типа Coli в 1 л (дм³) воды) – не более 3.

Если питьевая вода не отвечает требования, то соответствующей обработкой (осветление, обесцвечивание, опреснение, фторирование, умягчение и т.д.) ее доводят до необходимых кондиций.

Оценка агрессивности подземных вод

Воды определенного химического состава могут оказывать разрушающее действие на бетонные и металлические конструкции, фильтры скважин, обсадные трубы, насосы и т.д.

Агрессивное действие вод на бетон проявляется в растворении его основного компонента – карбоната кальция, а также в образовании солей CaSO₄*2H₂O; MgSO₄*2H₂O и сульфоалюмината кальция («цементной бациллы»),вызывающего вспучивание и крошение бетона. Это явление характерно для подземных вод с повышенным содержанием иона SO₄^2-.

В зависимости от присутствия в воде тех или иных компонентов различают несколько видов агрессивности подземных вод к бетону (таблица 5).

Таблица 5 - Виды агрессивности подземных вод по отношению к бетону [10]

Степень агрессивного воздействия подземных вод на арматуру железобетонных конструкций оценивается по суммарному содержанию в них сульфатов и хлоридов.

Количественные критерии оценки вида и степени агрессивности подземных вод к бетону и железобетону приводятся в СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» и ГОСТ 9.602-2005 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии».