Экологическое состояние питьевой воды по показателю жёсткости в Ленинском районе города Челябинска

Экологическое состояние питьевой воды по показателю жёсткости

в Ленинском районе города Челябинска

Сатаева Евгения

МБОУ СОШ№32 (ф.), 8а класс

Аннотация

Основной целью работы явилось изучить и сравнить жесткость питьевой воды Ленинского района г. Челябинска, в котором имеются источники как централизованного так и нецентрализованного (скважины и колодцы) водоснабжения. Определение жесткости воды проводили методом комплексометрического титрования. В ходе исследования было доказано, что, во-первых, жесткость воды централизованного водоснабжения не зависит от протяженности, срока эксплуатации водопроводных систем и остается одинаковой на разных участках; во-вторых, вода нецентрализованного водоснабжения имеет повышенную жесткость и характеризуется как «очень жесткая»; в-третьих, эффективными способами умягчения воды в бытовых условиях являются кипячение, применение умягчающих средств в количествах незначительно сдвигающих рН воды от нейтральной.

Показатели качества воды подразделяются на эпидемические, органолептические, радиологические, химические. Среди химических показателей качества воды рассматривается ее жёсткость (п. 4.4.1) [1].

Присутствие значительного количества солей кальция или магния несёт опасность для здоровья человека, делает воду непригодной для многих технических целей и бытовых целей.

Вода, принадлежащая к централизованному водоснабжению города Челябинска, подвергается строгому контролю на содержание бактерий и микроорганизмов, а также на наличие химических элементов в воде, которые определяют в Управлении Роспотребнадзора по Челябинской области.

Однако, несмотря на то, что вода в Челябинске в основном берется из одного источника - Шершневского водохранилища, состав ее в разных районах города может сильно отличаться. На качество воды может оказывать влияние сроки эксплуатации водопроводных сетей, например, дома даже могут стоять рядом, но один был построен в 1942 г., другой - в 1975 году, а другой в 2005-м.

При использовании воды в питьевых целях, независимо от источника будь-то родники, глубокие скважины или поверхностные воды, необходимо контролировать жёсткость воды.

Вода - универсальный растворитель, а это значит, что ее насыщенность минералами зависит от почвы и залегающих под ней горных пород. В пригородных поселках г. Челябинска вода, поступающая из скважин, из колодцев может иметь много примесей и не соответствовать нормам по жёсткости.

Учащиеся нашей школы живут в микрорайоне Сельмаш Ленинского района города Челябинска, в поселках Береговой и Сухомесово, где помимо централизованного водоснабжения есть и частные скважины, и водонапорные колонки и колодцы. Поэтому для нас проблема жёсткости используемой воды является очень важной.

Целью данной работы является:

1. Определение жёсткости воды из разных источников:

·  централизованного водопровода в школе №32 (ф) микрорайона Сельмаш города Челябинска (постройка 1942 года);

·  централизованного водопровода в доме по улице Южный Бульвар (постройка 1960 г.)

·  частного колодца в поселке Береговой города Челябинска;

·  частной скважины в поселке Сухомесово города Челябинска;

·  частного колодца в поселке Сухомесово города Челябинска.

1.  Определение общедоступных для жителей способов устранения жёсткости воды.

Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Изучить понятие жёсткости, классификацию вод по степени жёсткости.

2. Изучить стандарт на питьевую воду, нормативы жёсткости принятые в нашей стране.

3. Обобщить данные об уровне жёсткости воды в некоторых регионах России и в городе Челябинске.

4. Изучить традиционные методы определения жёсткости воды.

5. Определить соответствие изучаемой воды санитарным нормам по показателю жёсткости

6. Определить изменение жёсткости воды после кипячения, очистки в фильтре и применения смягчающих средств.

Гипотезы:

1. Вода, принадлежащая к централизованному водоснабжению, соответствует по жёсткости санитарным нормам и правилам вне зависимости от состояния водопроводных труб.

2. Уровень жёсткости в пригородных поселках Береговой и Сухомесово выше уровня жёсткости воды в школе № 32 (ф) г. Челябинска.

3. В жёсткой воде после применения смягчающих средств, кипячения, пропускании через домашние водоочистные установки снижается уровень жёсткости.

Практическая значимость исследования заключается в подборе рекомендаций для жителей поселков Береговой, Сухомесово по вопросу необходимости умягчения потребляемой воды.

Объекты и ход исследования

Объектом исследования явилась питьевая вода из различных источников водоснабжения. Предметом исследования явилось определение общей жёсткости воды, зависящей от содержания в ней солей кальция и магния.

Забор проб воды для анализа производился из следующих источников (рисунок 1).

Ул. Юж. Бульвар

Школа №32 (ф)

Рисунок 1. Схема отбора проб воды в 2011 г.

(пункты забора воды обозначены на рисунке )

Исследованию подвергалась:

- вода (холодная) из водопровода школы №32 (ф) г. Челябинска (проба №1),

- вода горячая из водопровода школы №49 г. Челябинска (проба№2),

- отстоянная вода из водопровода школы №№32 (ф) г. Челябинска (проба №3),

- вода холодная из крана централизованного водоснабжения (проба №4) дома по улице Южный Бульвар Ленинского района г. Челябинска,

- вода горячая из крана централизованного водоснабжения (проба №5) дома по улице Южный Бульвар Ленинского района г. Челябинска,

- холодная вода, прошедшая очистку на бытовой установке «Барьер» (проба №6) из крана централизованного водоснабжения дома по улице Южный Бульвар Ленинского района г. Челябинска;

- вода из колодца п. Берегового (проба №7),

- вода из колодца п. Сухомесово (проба №8),

- вода из скважины п. Сухомесово (проба №9)

Воду, только что взятую из исследуемых источников, залили в пластиковые ёмкости на 1000 мл, предварительно промытые исследуемой водой, под верхний обрез горлышка и плотно завернули пробки. Наклеили этикетку с указанием вида источника и времени забора пробы. Отобранные пробы воды доставили в лабораторию в течение 1 часа и приступили к анализу.

Определение жёсткости методом комплексометрического титрования. Для проведения титрования нами использовались следующее оборудование и реактивы:

- весы и набор разновесок (необходимая точность взвешивания - ±10 мг);

- мерная колба 1 л;

- мерный стакан на 50 мл;

- бюретка с минимальными делениями 0.1 мл л;

- раствор этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА или трилон Б), 

- концентрированный раствор аммиака,

- хлорид аммония (NH4Cl),

- краситель эриохром черный Т,

- дистиллированная вода.

Иллюстрации этапов проведения исследования (Приложение 1)

Определение жёсткости методом комплексометрического титрования

Жёсткость воды традиционно определяется методом комплексометрического титрования. Титриметрический анализ является методом количественного анализа, в котором измеряют количество реактива, затраченного в ходе химической реакции, при этом используют точное измерение объемов реагирующих веществ. Окончание химической реакции происходит в точке эквивалентности, которая фиксируется различными методами, чаще всего при помощи индикаторов. Комплексометрическое титрование основано на свойстве этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТУ) и ее солей давать прочные комплексные соединения с катионами кальция и магния. На практике чаще всего применяется Трилон Б - кислая двузамещенная натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты. Это соединение в слабощелочной среде при рН > 9 связывает во внутрикомплексные соединения катионы кальция и магния.

Некоторые красители, например эриохром чёрный, дают с катионами солей жесткости непрочные окрашенные соединения красного цвета. При добавлении в воду с подобными окрашенными соединениями раствора трилона Б в эквивалентной точке происходит их полное разрушение с изменением окраски раствора в синий цвет. Измеряется объем раствора трилона с известной концентрацией, израсходованный на титрование. Расчет содержания катионов жёсткости в исследуемом растворе производится по измеренному объему раствора трилона с известной концентрацией.

Методика комплексонометрического титрования, используемая в процессе исследования (Голубкиной М. А.) [2].

Отбирают 10 мл исследуемой питьевой воды в плоскодонную коническую колбу на 100 мл, добавляют 1-2 мл аммиачного буфера с рН и на кончике шпателя краситель эриохром чёрный Т до получения светло-розового окрашивания и титруют 0,05 М раствором трилона Б до появления голубого цвета раствора. Жёсткость воды в мг-экв/л рассчитывается по формуле:

Жёсткость, мг-экв/л = (0,05*1000 V) / 10,

где 0,05 – молярность трилона Б;

V - объем трилона Б, пошедший на титрирование, мл;

1000 – коэффициент пересчета в л;

10 - объем пробы воды, взятой на анализ, мл.

Анализ результатов исследования

Единственный источник питьевого водоснабжения г. Челябинска - Шершнёвское водохранилище, по данным Уральского филиала ВНИИ ветеринарной санитарии, гигиены и экологии РАСХН имеет следующие показатели жёсткости в 2001–2010 гг. (таблица 2) [3].

Таблица 2

Средние показатели жесткости воды Шершнёвского водохранилища

по годам

2001	2003	2004	2007	2009	2010
3,21	3,40	2,87	3,87	3,95	4,72

Как видно из таблицы 2, в 2010 году средний уровень жёсткости воды несколько повысился в сравнении с прошлыми годами и составил 4,72, что не превышает норм по уровню жесткости. Средние показатели складываются из отдельных показателей, поэтому для получения достоверной информации необходим контроль качества воды в разных районах города и из различных источников водоснабжения.

Результаты исследования качества воды в Ленинском районе занесены в таблицы 3,4.

Таблица 3

Исследование жёсткости воды из разных источников (2011 г.)

№п/п	Наименование пробы	Место отбора пробы	Жесткость, мг-экв/л	Оценка качества воды
1	2	3	4	5
1	Школьная вода холодная (проба №1)	Школа №32 (ф) (постройка 1942г.)	6,0	Норма
2	Школьная вода горячая (проба №2)	5,0	Норма
3	Вода холодная из крана централизованного водоснабжения (проба №3)	Ул. Южный Бульвар Ленинский район г. Челябинска (постройка 1960 г.)	6,0	Норма
4	Вода горячая из крана централизованного водоснабжения (проба №4)	5,0	Норма
5	Холодная вода, прошедшая очистку на бытовой установке «Барьер» (проба №5)	Ул. Южный Бульвар Ленинский район г. Челябинска (постройка 1960 г.)	5,0	Норма

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4	5
6	Вода из колодца (проба №6)	п. Береговой г. Челябинска	17,5	Выше нормы в 2,5 раза
7	Вода из колодца (проба №7)	п. Сухомесово г. Челябинска	20,0	Выше нормы в 2,9 раза
8	Вода из скважины (проба №8)	п. Сухомесово г. Челябинска	10,0	Выше нормы в 1,4 раза

Использование титрометрического метода позволило нам установить, что качество питьевой воды централизованного водоснабжения независимо от места отбора проб имеет одинаковые значения и соответствует нормам СанПиНа. Уменьшению жесткости способствует нагрев и кипячение воды, как свидетельствуют данные таблицы 3, жесткость горячей воды из под крана централизованного водоснабжения уменьшилась в среднем на 17,8%, для нецентрализованного водоснабжения – в среднем на 39,9%, что подтверждает выдвинутую нами гипотезу и позволяет рекомендовать нагрев и кипячение воды для снижения ее жесткости (таблица 4).

Таблица 4

Влияние кипячения на уровень жесткости воды

№пп	Наименование пробы	До кипячения	После кипячения
1	проба №1	6,0	4,9
2	проба №2	5,0	4,2
3	проба №3	6,0	4,8
4	проба №4	5,0	4,1
5	проба №5	5,0	4,0
6	проба №6	17,5	9,0
7	проба №7	20,0	11,0
8	проба №8	10,0	8,5

Более слабый эффект смягчения воды наблюдался после фильтрования воды с применением домашней водоочистной установки «Барьер», как показали наши исследования, примерно на 16,7% (таблица 4). Совместное же использование двух методов умягчения воды – фильтрование через установку «Барьер» и последующее кипячение, повысили качество воды на 31,7%. Как видно из таблицы 3, проблема снижения жесткости воды более актуальна для источников нецентрализованного водоснабжения.

Добавление в питьевую воду пищевой соды или кислоты (уксусной или лимонной) ухудшает ее вкусовые качества, поэтому наши рекомендации по умягчению воды будут касаться воды, используемой не для питья. Жесткая вода, насыщенная минеральными солями, дает щелочную реакцию, поэтому для подавляющего большинства растений такая вода не подходит. Использование ее для полива приводит к защелачиванию субстрата, что в свою очередь может привести к болезни и гибели растений. Для полива лучше использовать мягкую воду. Это поможет поддержать необходимую растениям кислотность почвы - слабую или сильную. Для уменьшения жесткости воды существуют несколько способов.

Первый способ. Воду кипятят (при этом она вновь насыщается кислородом из воздуха).

Второй способ. Воду подкисляют, к примеру, лимонной или уксусной кислотой. Достаточно несколько капель уксусной эссенции на один литр воды или 0.5 г лимонной кислоты на 3 литра [4].

В задачи нашей работы входило найти и предложить способы уменьшения жесткости воды в домашних условиях. Нами были использованы подручные средства, которые всегда можно обнаружить в кухонных шкафах – питьевая сода, уксусная эссенция и лимонная кислота, но в несколько других соотношениях, чем в предложенных выше вариантах. Применение любого из средств, способствует изменению рН воды в кислую или щелочную сторону. pH воды - важнейший показатель качества воды, во многом определяет характер химических и биологических процессов, происходящих в воде. В зависимости от величины pH может изменяться скорость протекания химических реакций, степень коррозионной агрессивности воды, токсичность загрязняющих веществ и т. д. Поэтому, 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. Результаты по снижению жесткости с использованием предложенных нами средств, представлены в таблице 5.

Таблица 5

Влияние умягчающих средств на уровень жесткости воды

№ пп	Умягчающее средство	Показатель жесткости	проба №6	проба №7	проба №8
1	2	3	4	5	6
1	Пищевая сода, 1 ч. ложка на 1 л воды, рН 8,0	до применения	17,5	20,0	10,0
после применения	14,5	10,0	5,6
2	Уксусная эссенция, 1 ч. ложка на 1 л воды, рН 6,0	до применения	17,5	20,0	10,0
после применения	8,5	12,5	9,2
3	Пищевая сода + Уксусная эссенция, по 1 ч. ложке на 1 л. воды, рН 7,5-8,0	до применения	17,5	20,0	10,0
после применения	10,0	12,5	9,0

Продолжение таблицы 5

1	2	3	4	5	6
4	Пищевая сода 3 ч. ложки + Уксусная эссенция 1 ч. ложка по на 1 л. воды, рН 8,0	до применения	17,5	20,0	10,0
после применения	7,0	9,0	8,5
5	Кипячение + 1 ч. ложка уксусной эссенции на 1 л. воды, рН 8,0	до применения	17,5	20,0	10,0
после применения	9,0	10,0	7,5
6	Лимонная кислота 1 ч. ложка на 1 литр воды, рН 2,0-3,0	до применения	17,5	20,0	10,0
после применения	Жесткость воды увеличилась

Как показали наши исследования, незначительный сдвиг от нейтрального рН (рН=7,0) способствует умягчению жесткости воды (варианты опытов 1,2,4) от 18,0% до 50,0%. Одновременное использование пищевой соды и уксусной эссенции (в соотношениях 1:1) особого эффекта не дало и, практически, повторило эффект действия чистой уксусной эссенции. Наилучшим сочетанием методов умягчения оказалось использование кипячение воды с последующим ее подкислением уксусной эссенцией в пропорциях 1 ч. ложка на 1 л. воды. Добавление лимонной кислоты в пропорциях 1 ч. ложка на 1 л. воды привело к обратному эффекту и резко повысило жесткость воды. В данном случае, произошло сильное смещение от нейтрального рН, что и привело к резкому увеличению жесткости воды.

Заключение

Применение несложного, но общепринятого метода титрометрического исследования позволило нам определить показатели жесткости питьевой воды из централизованных и нецентрализованных источников и подтвердить выдвинутые гипотезы и сделать следующие выводы:

1. Жесткость воды централизованного водоснабжения не зависит от протяженности, срока эксплуатации водопроводных систем и остается одинаковой на разных участках.

2. Жесткость воды централизованного водоснабжения соответствует нормам СанПинНа.

3. Вода нецентрализованного водоснабжения (скважины, колодцы) имеет повышенную жесткость и может характеризоваться по известной классификации (см. главу 1.2) как очень жесткая.

4. Нагрев и кипячение воды приводит к ее умягчению в среднем на 17,8 – 39,9 %.

5. Применение домашних установок для очистки воды типа «Барьер» также способствовало снижению жесткости воды, но на 6,2% менее эффективно, чем кипячение, поочередное же использование: фильтрование + кипячение значительно улучшают качества воды, наблюдалось умягчение до 31,7%.

6. Нами доказано, что в бытовых условиях жесткость воды можно снизить несколькими способами: кипячением, применением умягчающих средств в количествах сдвигающих рН воды от нейтральной незначительно.

Рекомендации способов умягчения воды для жителей

Согласно проведенным исследованием эффективным способом снижения жесткости питьевой воды является пропускание ее через очистную установку типа «Барьер» и последующее кипячение или нагрев. Достоинство этого способа в простоте и доступности.

Для применения воды в других хозяйственных целях, не для питьевых, дополнительно рекомендуем использовать метод: кипячение воды с последующим ее подкислением уксусной эссенцией в пропорциях 1 ч. ложка на 1 л. воды.

Список литературы и интернет-ресурсы

1. СанПиН 2.1.4.559-96 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества»: [Электронный ресурс]: СПИНЫ ГОСТЫ справочный ресурс.- режим доступа: http://www. *****/Sanpin_2_1_4_559-96.htm

2. А, Шамина практикум по экологии. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 20с.: ил.- (Серия «Профессиональное образование»).

3. , , Химический состав и качество воды Шершнёвского водохранилища в 2001–2009 годах. // Вестник Челябинского государственного университета№ 8 (189). - Сер. Экология. Природопользование. - Вып. 4. – С. 52-56.

4. Как уменьшить жёсткость воды: [Электронный ресурс] - режим доступа: //http://*****/publ/kak_umenshit_zhestkost_vody/