Под качество природной воды в целом понимается характеристика ее состава и свойств, определяющая ее пригодность для конкретных видов водопользования (ГОСТ 17.1.1.01-77), при этом критерии качества представляют собой признаки, по которым производиться оценка качества воды.
Органолептические показатели
Любое знакомство со свойствами воды начинается с определения органолептических показателей, т.е. таких, для определения которых мы пользуемся нашими органами чувств (зрением, обонянием, вкусом).
Органолептическая оценка приносит много прямой и косвенной информации о составе воды. К таким характеристикам относятся: цветность, мутность (прозрачность), запах, вкус, привкус.
Мутность и прозрачность
Мутность воды вызвана присутствием тонкодисперсных примесей, обусловленных нерастворимыми или коллоидными неорганическими и органическими веществами различного происхождения.
Качественное определение проводят описательно: мутность не заметна (отсутсвует), слабая опалесценция (Прим.1) , опалесценция, слабомутная, мутная или сильно мутная. В России мутность чаще всего измеряют в нефелометрических единицах мутности НЕФ (NTU) для небольших значений в пределах 0-40 НЕФ (NTU), например для питьевой воды. В условиях большой мутности обычно применяется измерение единиц мутности по формазину (ЕФМ). Пределы измерений - 40-400 ЕФМ.
Когда вода имеет незначительные окраску и мутность, и их определение затруднительно, пользуются показателем "прозрачность".
Мера прозрачности - высота столба воды, при которой можно наблюдать опускаемую в воду белую пластину определенных размеров (диск Секки) или различать на белой бумаге шрифт определенного размера и типа (шрифт Снеллена). Результаты выражаются в сантиметрах (табл.1)
Таблица 1. Характеристика вод по прозрачности
Прозрачность |
Единица измерения, см |
Прозрачная |
Более 30 |
Маломутная |
От 25 до 30 |
Средней мутности |
От 20 до 25 |
Мутная |
От 10 до 20 |
Очень мутная |
Менее 10 |
Мутность не только отрицательно влиет на внешний вид воды. Главным отрицательным следствием высокой мутноти является то, что она защищает микроорганизмы при ультрафиолетовом обеззараживании и стимулирует рост бактерий. Поэому во всех случаях, когда производится дезинфекция воды, мутность должна быть минимальной для обеспечения высокой эффективности этой процедуры. В соответсвии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды мутность не должна превышать 1,5 мг/л по каолину.
Запах
По характеру запахи делятся на две группы:
- естественного происхождения (живущие и отмершие в воде организмы, загнивающие растительные остатки и др.);
- искусственного происхождения (примеси промышленных и сельскохозяйственных сточных вод).
Интенсивность запаха оценивают по шестибальной шкале (табл.2)
Таблица 2. Характеристика вод по интенсивности запаха
Интенсивность запаха, баллы |
Характеристика |
Описательные определения |
0 |
Запаха нет |
Отсутствие ощутимого запаха |
1 |
Очень слабый |
Запах, не замечаемый потребителем, но обнаруживаемый опытным исследователем |
2 |
Слабый |
Запах, не привлекающий внимания потребителя, но обнаруживаемый им, если указать на него |
3 |
Заметный |
Запах, легко обнаруживаемый и могущий дать повод относиться к воде с неодобрением |
4 |
Отчетливый |
Запах, обращающий на себя внимание и делающий воду неприятной для питья |
5 |
Очень сильный |
Запах, сильный настолько, что делает воду непригодной для питья |
Таблица 3. Запахи естественного происхождения
Обозначение запаха |
Характер запаха |
Примерный род запаха |
А |
Ароматический |
Огуречный, цветочный |
Б |
Болотный |
Илистый, тинистый |
Г |
Гнилостный |
Фекальный, сточный |
Д |
Древесный |
Запах морской щепы, древесной коры |
З |
Землистый |
Прелый, запах свежевспаханной земли, глинистый |
П |
Плесневый |
Затхлый, застойный |
Р |
Рыбный |
Запах рыбьего жира, рыбы |
С |
Сероводородный |
Запах тухлых яиц |
Т |
Травянистый |
Запах скошенной травы, сена |
Н |
Неопределенный |
Запахи естественного происхождения, не подходящие под предыдущие определения |
Запахи второй группы (искуственного происхождения) называют по определяющим запах веществам: хлорный, бензиновый и т.д.
Вкус и привкус
Интенсивность вкуса и привкуса определяется также по 6-балльной шкале (табл.4)
Таблица 4. Характеристика вод по интенсивности вкуса
Оценка вкуса и привкуса, баллы |
Интенсивность вкуса и привкуса |
Характер проявления вкуса и привкуса |
0 |
Нет |
Вкус и привкус не ощущается |
1 |
Очень слабая |
Вкус и привкус сразу ощущается потребителем, но обнаруживаются при тщательном тестировании |
2 |
Слабая |
Вкус и привкус замечаются, если обратить на это внимание |
3 |
Заметная |
Вкус и привкус легко замечаются и вызывают неодобрительный отзыв о воду |
4 |
Отчетливая |
Вкус и привкус обращают на себя внимание и заставляют воздержаться от питья |
5 |
Очень сильная |
Вкус и привкус настолько сильны, что делают воду непригодной к употреблению |
Для питьевой воды допускаються значения показателй вкуса и привкуса не более 2 баллов.
Различают 4 вид вкусов:
- соленый
- горький
- сладкий
- кислый
Качественную характеристику оттенков вкусовых ощущений - привкуса - выражают описательно: хлорный, рыбный, горьковатый и так далее. Наиболее распространенный соленый вкус воды чащу всего обусловлен растворенным в воде хлоридом натрия, горький - сульфатом магния, кислый - избытком свободного диоксида углерода и т.д.
Цветность
Показатель качества воды, характеризующий интенсивность окраски воды и обусловленный содержанием окрашенных соединений, выражается в градусах платино-кобальтовой шкалы и определяется путем сравнения окраски испытуемой воды с эталонами.
Цветность природных вод обусловлена главным образом присутсвием гумусовых веществ и соединений трехвалентного железа, колеблется от единиц до тысяч градусов (табл.5)
Таблица 5. Характеристика вод по цветности
Цветность |
Единицы измерения, градус платино-кобальтовой шкалы |
Очень малая |
До 25 |
Малая |
Более 25 до 50 |
Средняя |
Более 50 до 80 |
Высокая |
Более 80 до 120 |
Очень высокая |
Более 120 |
Взвешенные примеси
Взвешенные твердые примеси, присуствующие в природных водах, состоят из частиц глины, песка, ила, суспедированных органических и неорганических веществ, планктона и различных микроорганизмов. Взвешенные частицы влияют на прозрачность воды.
Содержание в воде взвешенных примесей, измеряемое в мг/л, дает представление о загрязненности воды частицами, в основном, условным диаметром более 10 (в -4 степени) мм.
Водородный показатель (рН)
Величина рН воды - один из важнейших показателей качества вод для определения тсабильности воды, ее накипеобразующих и коррозионных свойств, прогнозирования химических и биологических процессов, происходящих в природных водах. В зависимости от рН воду рационально делить на семь групп (табл.6)
Таблица 6. Классификация вод по рН
Группа воды |
рН |
Сильнокислая |
Менее 3,0 |
Кислая |
Более 3,0 до 5,0 |
Слабокислая |
Более 5,0 до 6,5 |
Нейтральная |
Более 6,5 до 7,5 |
Слабощелочная |
Более 7,5 до 8,5 |
Щелочная |
Более 8,5 до 9,5 |
Сильнощелочная |
Более 9,5 |
От величины рН зависит развитие и жизнедеятельность многих организмов, агрессивное действие воды на металлы и бетон. Величина рН воды также влияет на процессы превращения различных форм биогенных элементов, изменяет токсичность загрязняющих веществ.
В соответсвии с требованиями к составу и свойствам питьевой воды, величина рН не должна выходить за пределы интервала значений 6,0-9,0. Контроль уровня рН особенно важен на всех стадиях водоочистки, так как его "уход" в ту или иную сторону может не только существенно сказаться на запахе, привкусе и внешнем виде воды, но и повлиять на эффективность водоочистных мероприятий.
При низком рН вода обладает высокой коррозионной активностью, а при высоких уровнях (рН>11) вода приобретает характерную мылкость, неприятный запах, вызывает раздражение глаз и кожи.
Минерализация
Минерализация - суммарное содержание всех найденных при химическом анализе воды минеральных веществ. Минерализация природных вод, определяющая их удельную электропроводность, изменяется в широких пределах. Большинство рек имеет минерализацию от нескольких десятков миллиграммов в литре до нескольких сотен. Их удельная электропроводимость варьируется от 30 до 1500 мкСм/см. Минерализация подземных вод и соленых озер изменяется в интервале от 40-50 мг/л до сотен г/кг (плотность в этом случае уже значительно отличается от единицы). Удельная электропроводимость атмосферных осадков с минерализацией от 3 до 60 мг/л составляет значения 10-120 мкСм/см.
Таблица 7. Характеритика вод по минерализации
Группа воды |
Единица измерения, г/л |
Пресные |
До 1 |
Солоноватые |
Более 1 до 25 |
Соленые |
Более 25 до 50 |
Рассолы |
Более 50 |
Предел пресных вод - 1 г/л - установлен в связи с тем, что при минерализации более этого значения вкус воды неприятен - соленый или горько-соленый.
Предел - граница между солоноватыми и солеными водами - принят на том основании, что при минерализации около 25 г/л температура замерзания воды и температура наибольшей плотности морской воды совпадают, и при этом меняются некоторые свойства воды.
Граница 50 г/л между солеными водами и рассолами обусловлена тем, что соленость больше этого значения не бывает в морях; Такая соленость характерна только для соленых озер и некоторых подземных вод.
Таблица 8. Характеристика вод по общей минерализации (наиболее распространеннная градация)
Наименование воды |
Общая минерализация, г/л |
Ультрапресная |
До 0,1 |
Пресная |
Более 0,1 до 1,0 |
Слабопресная |
Более 1,0 до 3,0 |
Соленая |
Более 3,0 до 10,0 |
Сильносоленая |
Более 10,0 до 50,0 |
Рассол |
Более 50,0 до 300,0 |
Ультрарассол |
Более 300,0 |
В соответствии с гигиеническими требованиями к качеству питьевой воды суммарная минерализация не должна превышать 1000 мг/л. Вода содержащая большое количество солей, отрицательно влияет на растения и человека, вызывает образование накипи на стенках котлов, коррозию, засоление почв. Регулярное употребление высокоминерализированной воды приведет к болезням пищеварения, обмена веществ, повышеной сухости кожи.
Жесткость
Жесткость воды обуславливается наличием в воде ионов кальция, магния, стронция, бария, железа, марганца. Но общее содержание в природных водах ионов кальция и магния несравнимо больше содержания всех других перечисленных ионов - и даже их суммы. Поэтому под жесткостью понимают сумму количеств ионов кальция и магния - общая жесткость, складывающаяся из значений карбонатной (временной, устраняемой кипячением) и некарбонатной (постоянной) жесткости. Первая вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния, вторая - наличием сульфатов, хлоридов, силикатов, нитратов и фосфатов этих металлов. Однако при значении жесткости воды более 9 ммоль/л нужно учитывать содержание в воде стронция и других щелочноземельных металлов.
По стандарту ИСО 6107-1-8: 1996, включающему более 500 терминов, жесткость определяется как способность воды образовать пену мылом. Содержание в питьевой воде кальция и магния играет важнейшую роль для человеческого организма. Недостаточность кальция в организме негативно сказывается на функии сердечной мышцы и на активности некоторых ферментов. А недостаток содержания кальция в крови ведет к понижению возбуждаемости нервной системы и, как следствие, к возникновению судорог. Кальций необходим для формирования костных тканей, в том числе зубов. Соли магния тоже необходимы человеку, поскульку входят в ряд жизненно важных ферментов. Дефицит магния проводит к коронарной болезни сердца; с другой стороны, повышенное содержание магния угнетающе действуют на нервную систему, поражая двигательные нервные окончания.
По значению общей жесткости природные воды делят на группы (табл.9)
Таблица 9. Классификация воды по жесткости
Группа воды |
Единица измерения, ммоль/л |
Очень мягкая |
До 1,5 |
Мягкая |
Более 1,5 до 4,0 |
Средней жесткости |
Более 4 до 8 |
Жесткая |
Более 8 до 12 |
Очень жесткая |
Более 12 |
В естественных условиях ионы кальция и магния определяющие жесткость, поступают в воду в результате взаимодействия растворенного диоксида углерода с карбонатными минералами и других процессов растворенияи химического выветривания горных пород. Источником этих ионов являются также микробиологические процессы, протекающие в почвах. Обычно преобладает жесткость, обусловленая ионами кальция (до 70%); однако в отдельных случаях магниевая жесткость может достигать 50-60%. Жесткость морской воды и океанов значительно выше (десятки ммоль/л). Жесткость поверхностных вод подвержена заметным сезонным колебаниям, достигая обычно наибольшего значения в конце зимы и наименьшего - в период половодья.
Росстандартом в качестве единицы жесткости воды установлен моль на кубический метр (моль/м3). Один моль на кубический метр соответствует массовой концентрации эквивалентов ионов кальция 20,04 г/м3 (мг/л) или ионов магния 12,153 г/м3 (мг/л). Т.е., 1 моль/м3 = 1 ммоль/л = 1 мг-экв/л - 1 мг-экв/дм3 . В зарубежных странах широко используются такие единицы жесткости, как немецкий градус (do, dH), французский градус (fo), американский градус (ppm CaCO³).
Основные единицы жесткости воды и их соотношение:
Моль/м3 (мг-экв/л)
|
Немецкий градус, do |
Французский градус,fo |
Английский градус |
Американский градус |
gpg (grain per gallon, или грэйн/галлон) |
Ppm (мг/л) CaCO3 |
1.000 |
2.804 |
5.005 |
3.511 |
50.050 |
2.920 |
50.050 |
Прим.1 Опалесценция - "[опал + лат. -escenua суффикс, означающий слабое действие] — физ. явление рассеяния света мутной средой, обусловленное ее оптической неоднородностью; наблюдается, напр. , при освещении большинства коллоидных растворов, а также у веществ в критическом состоянии
Опалесценция критическая - резкое усиление рассеяния света чистыми веществами (газами или жидкостями) в критических состояниях, а также растворами при достижении ими критических точек смешения.
Повышенная жесткость воды негативно отражается на здоровье человека. В быту появление накипи приводит к уменьшению срока слыжбы водонагревателей, ухудшаются моющие свойства мыла и стиральных порошков, из-за горьковатого привкуса ухудшаются вкусовые свойства воды.
Порог вкуса для иона кальция лежит в диапазоне 2-6 ммоль/л, в зависимости от соответствующего аниона. Порог вкуса для магния и того ниже, наилучшие вкусовые свойства имеет вода с жсткостью 1,6-3,0 ммоль/л.
Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) не регламентирует величину жесткости по показаниям влияния на здоровье. В материалах ВОЗ говориться о том, что несмотря на выявленную статистическим путем зависимость между жесткостью питьевой воды и сердечно-сосудистыми заболеваниями, этих данных недостаточно для вывода о причинном характере этой связи. Однозначно не доказано и то, что мягкая вода оказывает отрицательный эффект на баланс минеральных веществ в организме человека.
Растворенный кислород
Поступление кислорода в водоем происходит путем растворения его при контакте с воздухом (абсорбции), а также в результате фотосинтеза водными растениями, т.е. в результате физико-химических и биохимических процессов. Содержание растворенного кислорода зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды*, минерализации воды и др. В поверхностных водах содержание растворенного кислорода может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным суточным колебаниям. В зимний и летний периоды количество кислорода в воде различается. Дефицит кислорода чаще наблюдается в водных объектах с высокими концентрациями загрязняющих органических веществ и в водоемах, содержащих большое количество биогенных и гумусовых веществ. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов - 6 мг/л (для ценных пород рыбы) и 4 мг/л (для остальных пород рыбы).
Скорость потребления кислорода увеличивается с повышением температуры, количества организмов и веществ, подвергающихся химическому и биохимическому окислению.
Концентрация кислорода в воде определяет направление и скорость процессов химического и биохимического окисления органических и неорганических соединений. Понижение содержания кислорода до 2 мг/л вызывает массовую гибель рыбы в водоемах. Неблагоприятно сказывается на состоянии водных объектов и чрезмерное насыщение воды кислородом в результате процессов фотосинтеза, если это происходит в водоемах с застойной водой.
Содержание кислорода в водоемах с различной степенью загрязненности:
Таблица 10. Уровень загрязнения воды и класс качества
Растворенный кислород | |||
Очень чистые, I | лето, мг/л | зима, мг/л | % насыщения |
Чистые, II | 9 | 14-13 | 95 |
Умеренно загрязненные, III | 8 | 12-11 | 80 |
Загрязненные, IV | 7-6 | 10-9 | 70 |
Грязные, V | 5-4 | 5-4 | 60 |
Очень грязные, VI | 3-2 | 5-1 | 30 |
0 | 0 | 0 |
*Турбулизация приводит к нарушению поверхностного натяжения воды. При этом разрывается поверхностная пленка и облегчается выход газов из воды. Благодаря турбулентному движению происходит перемешивание частиц воды и непрерывное обновление поверхности соприкосновения воды с паром. Это ускоряет выход газа из воды и переход его в пар. Турбулизация движения воды создается потоком пара, пересекающим струи воды.