Улучшение качества питьевой воды (стр. 3 )

Очистку воды от радикальных и ион-радикальных частиц изучали хемилюминесцентным методом на приборе Биотестер с добавлением люминола /18, 23/.

Влияние некоторых физико-химических факторов на эффективность действия ПМС изучали в зависимости от:

1. Различной жесткости воды.

Использовали водопроводную воду (жесткость 0,8÷0,9 мг-экв/л), а также модельную воду на основе водопроводной, в которую вносили необходимое количество раствора СаС12 для создания повышенного уровня жесткости (до 7 мг-экв/л).

•2. Цветности воды, обусловленной наличием гуминовых веществ.

Сравнивали результаты действия ПМС в водопроводной воде (цветность 10÷15°) и в модельной воде с повышенной цветностью, которую получали, внося в водопроводную воду раствор гуминовых веществ (коммерческий препарат "Идеал").

3. Режима подготовки (активации) сорбента к процессу.

Изучали различные способы активации ПМС: измельчение, обработка кислотой и нагревание.

Измельчение сорбентов проводили на конусных инерционных дробилках. Необходимую фракцию получали, отсеивая частицы минералов на грохотах. Затем проводили многократную отмывку водой для удаления пылевидной фракции.

Кислотную обработку проводили смесью (1:1) 10% щавелевой кислоты и перекиси водорода. После химической активации сорбенты промывали дистиллированной водой, контролируя уровень рН промыв­ных вод.

Температурную активацию вели в сухо-воздушном шкафу при тем­пературе 150÷250°С.

Исследования проводили в беспроточных динамичных условиях: ПМС в виде частиц размерами 5÷10 мм помещали в колбу с раствором, содержащим ионы двухвалентной меди (соотношение объемов 1:15), при постоянном перемешивании на качалке, чтобы не было диффузионных ограничений для транспорта молекул поллютанта к поверхности сорбента.

Нагревание ПМС до температуры 150÷250°С не привело к повы­шению активности. В то же время, свежеизмельченные сорбенты были на 25÷34 % активнее образцов, хранившихся в измельченном состоянии более 6 мес. Наиболее значительно (на 35÷57%) возросла активность ПМС после кислотной обработки смесью (1:1) 10% щавелевой кислоты и перекиси водорода. Поэтому в работе для активации шунгита, кремня и глауконита использовали кислотную обработку.

Математический анализ оцениваемых показателей осуществляли стандартными методиками линейной статистики, которые обеспечивали определение средних величин и остальных характеристик распределе­ния /131/. Корреляционные зависимости величин рассчитывали тради­ционными методами при помощи программ Statgraphics. Для оценки достоверности полученных результатов и их взаимоотношений исполь­зовали критерий Стьюдента при 95% уровне вероятности.

3. ЭКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ

3.1. Влияние природных минеральных сорбентов на органолептические свойства воды

Пригодность воды для питья в первую очередь определяется ее органолептическими свойствами. Поэтому на первом этапе работы были проведены исследования влияния ПМС на указанные показатели. В таблице 3 представлены органолептические показатели и рН водопроводной воды до и после пропускания ее через фильтры с ПМС.

Органолептические показатели и рН водопроводной воды

(Московский р-н г. Санкт-Петербург) до и после фильтрования через ПМС

Таблица 3.

Показатели, ед. изм.	Исхо- дная вода	*	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	Фильтр ЦК «Царевин Ключ»
Запах, балл	3	2	0	0	0	0
Привкус, балл	3	2	0	0	0	0
Цветность,°	29	20	0	0	1,0	0
Мутность, ЕМ	4	2,6	0	0	1,0	0
РН	6	6÷9	5,5	7,5	7,8	7,2

Примечание: * 1. Нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 (не более).

2. Фильтр-ЦК - фильтр, производимый ЗАО "Царевин ключ".

Исходная водопроводная вода имела повышенную цветность (29°, при нормативе не более 20°) и мутность (4 ЕМ, при нормативе - 2,6 ЕМ); а также запах хлора, оцениваемый по интенсивности в 3 балла, что также выше допустимого значения (2 балла). Все это определяло неудовлетворительное качество водопроводной воды, поступающей по распределительной сети потребителям (Московский район г. Санкт-Петербург).

После пропускания через фильтры с различными ПМС органолептические показатели воды во всех вариантах обработки улучшились и стали удовлетворять требованиям СанПиН. В случае использования фильтра с шунгитом рН понизился с 6,0 до 5,5, во всех остальных случаях - повысился до 7,2÷7,8. Снижение рН воды, обработанной шунгитом, по всей видимости, объясняется характером функциональ­ных групп минерала, участвующих в ионном обмене /98/.

В таблице 4 представлены органолептические показатели и рН воды из природного водного объекта до и после пропускания через фильтры с различными ПМС.

Таблица 4.

Органолептические показатели и рН воды из сельскохозяйственного мелиоративного канала (Петродворцовый район г. Санкт-Петербург) до и после пропускания через фильтры

Показатели, ед. изм.	Исход­ная вода	*	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	Фильтр ЦК
Запах, балл	3	2	0	0	0	0
Цветность, °	112	20	0	1,0	3,0	0
Мутность, ЕМ	5	2,6	0	1,0	1,0	0
РН	6,5	6÷9	5,5	7,5	7,7	7,3

Примечание: * 1. Нормативы СанПиН 2.1.4.1074-01 (не более)

2. Фильтр ЦК - фильтр "Царевин ключ"

Вода из мелиоративного канала имела органолептические пока­затели, значительно отличающиеся от нормативов СанПиН 2.1.4.1074-01 для питьевой воды (высокую цветность, обусловленную содержанием гуминовых веществ; повышенную мутность и болотный за­пах, оцениваемый в 3 балла). После пропускания через фильтры с ПМС значения органолептических показателей стали соответствовать требованиям нормативов. Изменения рН были аналогичные приведенным в табл.3.

Таким образом, можно заключить, что обработка воды с помощью ПМС в режиме фильтрации приводит к значительному улучшению органолептических свойств воды, даже в случае, когда исходная вода значительно отличается по показателям качества от нормативов СанПиН (табл.4).

Использованные в работе ПМС эффективно устраняют имеющиеся в обрабатываемой воде дефекты органолептических показателей. Следует отметить, что обработка шунгитом приводит к снижению рН ниже допустимых значений, но данный недостаток устраняется при комплексном использовании ПМС (шунгит, кремень и глауконитовый из­вестняк) в фильтре "Царевин ключ".

3.2. Влияние природных минеральных сорбентов на химический состав воды

3.2.1. Не органические токсиканты

Наиболее типичным результатом вторичного загрязнения пить­евой воды в распределительных сетях является значительное превы­шение ПДК ионов железа. Обычным является превышение концентрации железа в 1,5÷3 раза /19, 23, 99/, а в отдельные моменты фиксиру­ется концентрация железа выше 10 мг/л, что превосходит ПДК более, чем в 30 раз /132/.

Высокие концентрации железа характерны также для подземных вод региона, относящихся к межморенным водоносным горизонтам, и служащих источниками питьевого водоснабжения в ряде населенных пунктов Ленинградской области. Содержание закисного железа в та­ких водах изменяется от 25 до 60 мг/л /40, 74/. В связи с этим была изучена эффективность применения ПМС для очистки от ионов железа воды из городского водопровода и из отдельных скважин, являющихся источниками питьевого водоснабжения на территории насе­ленных пунктов Ленинградской области. В качестве контроля использовали фильтр с АУ. Результаты представлены в таблице 5.

Таблица 5.

Содержание ионов железа (Х±х) в воде до и после пропускания

через фильтры (n = 3)

Содержание ионов железа в воде, мг/л
N про бы	Исходное	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	Фильтр ЦК	АУ
1 2 3	0,5±0,1 4,6±1,2 40,2±2,2	0,10 ± 0,01 0,15 ± 0,01 0,14 ± 0,01*	0, 10 ± 0,01 0,30 ± 0,02* 0,30 ± 0,02	0,12 + 0,01 0,25 ± 0,02* 0,З0 ± 0,03	0,10 ± 0,01 0,12 ± 0,01 0,25 ± 0,02	0,10 ± 0,1 0,14 ± 0,01 0,З0 ± 0,03

Примечания: 1. Проба 1 - водопроводная вода из Московского района г. Cанкт-Петербург;

2. Проба 2 - вода из скважины на территории п. Токсово (Всеволожский район Ленинградской обл.);

3. Проба 3 - вода из скважины на территории п. Красницы (Гатчинский район Ленинградской обл.);

4. Фильтр-ЦК - фильтр, выпускаемый ЗАО "Царевин ключ";

5. АУ - фильтр с активированным углем - контроль;

6. ПДК железа в питевой воде - 0,3 мг/л;

7.*курсив - различие с контролем достоверно.

Все изученные пробы воды имели повышенное содержание железа. При ПДК для питьевой воды не более 0,3 мг/л, водопроводная вода из разводящей сети Московского района имела концентрацию ионов железа 0,5 ± 0,1 мг/л. Пробы воды из скважин, снабжающих питьевой водой п. Токсово и п. Красницы содержали железо в 15 и 134 раза выше нормы, соответственно.

После пропускания через фильтры с ПМС концентрация ионов железа во всех пробах воды снизилась до допустимых величин. При этом эффективность очистки воды от железа с применением ПМС не уступала эффективности АУ при всех изученных концентрациях. При исходной концентрации 4,6 мг/л содержание ионов железа снижалось одинаково эффективно при использовании шунгита, фильтра "Царевин ключ" и АУ. А при начальной концентрации железа 40,2 мг/л максимального снижения удалось достичь с использованием фильтра с шунгитом: конечная концентрация при этом составила - 0,14 мг/л ионов железа, тогда как для всех остальных вариантов, включая АУ - 0. 25÷0,30 мг/л (различие статистически достоверно).

Можно заключить, что использование фильтров с ПМС позволяет очистить воду от избыточного содержания ионов железа в изученном интервале концентраций от 0,5 до 40 мг/л. При самой высокой кон­центрации железа фильтр с шунгитом превосходил по эффективности АУ, кремень, глауконитовый известняк и фильтр "Царевин ключ" в 2 раза.

Была изучена эффективность применения фильтров с ПМС для очистки воды от ионов тяжелых металлов, являющихся одними из приоритетных загрязнителей гидросферы /25÷27, 122/. В качестве мо­дельного токсиканта использовали ионы двухвалентной меди.

В таблице 6 представлены результаты изучения эффективности применения фильтров с ПМС для очистки модельной водопроводной воды от ионов двухвалентной меди.

Таблица 6.

Содержание ионов меди (Х±х) в модельной водопроводной воде до и после пропускания через фильтры (n = З)

Содержание ионов меди в воде, мг/л
Исходное	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	Фильтр-ЦК	АУ
0,58 ± 0,02 4,60 ± 0,1 9,95 ± 0,5	0,20 ± 0,01 0.50 ± 0,01 0,50 ± 0,1	0* 0.1 ± 0.01* 0.1 ± 0,02*	0,04 ± 0,002* 0,16 ± 0,01* 0,05 ± 0,001*	0* •0.1 ± 0.01* 0*	0,20 ± 0,03 0,62 ± 0,02 0,30 ± 0,02

Примечания: 1.Жесткость водопроводной воды - 0,8÷0,9 мг-экв/л цветность - 10°;

2. Фильтр-ЦК - фильтр "Царевин ключ";

3. АУ - фильтр с активированным углем - контроль;

4. ПДК ионов меди - 1,0 мг/л;

5. * курсив - различие с контролем достоверно.

Как следует из данных, представленных в таблице 6, при обра­ботке на фильтрах с ПМС водопроводной воды, содержащей от 0,58 до 9,95 мг/л ионов меди, происходит значительное снижение ее концентрации. Так, при исходном содержании меди 9,95 мг/л конечная концентрация снизилась для шунгита в 19,5 раз, для кремня в 99,5 раз, для глауконита в 195 раз, а при использовании комплекса ПМС (фильтр "Царевин ключ") ионы меди в обработанной воде отсутствовали. При этом применение АУ привело к снижению концентрации меди в данном случае в 33,2 раза.

Следует отметить, что при всех использованных концентрациях меди, наблюдали статистически достоверное различие в эффективности действия ПМС. Во всех трех вариантах более эффективными сорбентами оказались кремень, глауконитовый известняк, а также комплекс ПМС в фильтре "Царевин ключ". Эффективность шунгита в данном случае уступала двум вышеназванным сорбентам.

В таблице 7 представлены результаты изучения эффективности применения фильтров с ПМС для удаления ионов двухвалентной меди из воды, характеризующейся повышенной жесткостью (7,2 мг-экв/л).

Таблица 7.

Содержание ионов меди (Х±х) в модельной воде с жесткостью 7,2 мг-экв/л до и после пропускания через фильтры (n = 3)

Содержание ионов меди в воде, мг/л
Исходное	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	Фильтр-ЦК	АУ
0,49 ± 0,02 1,22 ± 0,1 9.95 ± 0,5	0,08 ± 0,01* 0,21 ± 0,02 0,65 ± 0,03	0,04 ± 0,01* 0,11 ± 0,02* 0,15 ± 0,05*	0,07 ± 0,002* 0,13 ± 0,01* 0,10 ± 0,02*	0,06 ± 0.005* 0,10 ± 0,005* 0,10 ± 0,01*	0,20 ± 0,01 0, З0 ± 0,05 1,10 ± 0,20

Примечания: 1.Фильтр-ЦК - фильтр "Царевин ключ";

2. АУ - фильтр с активированным углем - контроль;

3. ПДК ионов меди - 1,0 мг/л;

4. * курсив - различие с контролем достоверно.

Как следует из представленных данных, ПМС являются эффектив­ными агентами и для удаления ионов меди из воды повышенной жесткости, поскольку во всем использованном диапазоне концентраций меди (вплоть до 10 ПДК) удалось достичь снижения ее содержания до нормативов СанПиН. Следует отметить, что при концентрации 0,49 мг/л меди эффективность всех опытных вариантов была достоверно выше, чем АУ. С повышением концентрации достоверные различия в эффективности с АУ сохранились только для кремня и глауконитового известняка. Шунгит уступал по эффективности этим сорбентам и фильтру "Царевин ключ". При самой высокой из испытанных концентраций меди (9,95 мг/л) обработка АУ привела к снижению концентрации меди только до 1,10 ± 0,20 мг/л, что превышает ПДК (1,0 мг/л). Этот результат для АУ в 3,6 раза ниже, чем полученный на этом же сор­бенте в водопроводной воде с жесткостью 0,8 ÷ 0,9мг-экв/л.

Можно заключить, что повышенное содержание солей жесткости в воде снижает эффективность применения АУ. ПМС сохраняют свою эф­фективность в указанных рамках концентраций, при этом шунгит ус­тупает кремню и глауконитовому известняку в 4 ÷ 6,5 раз.

В таблице 8 представлены результаты изучения эффективности применения ПМС для удаления ионов меди из модельной воды с повышенной цветностью, обусловленной наличием гумусовых веществ. Повышенная цветность характерна для поверхностных вод суши и почвенных вод, которые часто являются источниками питьевого водос­набжения.

Как показывают данные таблицы 8 при всех использованных концентрациях меди применение ПМС привело к снижению исходной концентрации в 16 (с 0,48 мг/л до 0,03 мг/л для глауконита и фильтра - "Царевин ключ"раз (с 10,0 мг/л до 0,10 мг/л для тех же сорбентов).

Применение шунгита при низких концентрациях привело к полному удалению ионов меди из воды (0 мг/л). При более высоких концентрациях меди в исходной воде шунгит снижал содержание меди до нормативов СанПиН, но при этом его эффективность в 3 ÷ 6 раз уступала глаукониту и кремню, а также фильтру "Царевин ключ". Следует отметить, что при высокой начальной концентрации ионов меди (10 мг/л) в высокоцветной воде, содержащей гуминовые вещества, оказа­лось неэффективным использованием фильтра с АУ. Снижение концентрации меди в данном варианте опыта произошло только в 3 раза (до 3,10 мг/л) и осталось превышающем ПДК.

Таблица 8.

Содержание ионов меди (Х±х) в модельной воде с повышенной цветностью до и после пропускания через фильтры (n = 3)

Содержание ионов меди в воде, мг/л
Исходное	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	Фильтр-ЦК	АУ
0,48 ± 0,02 5,40 ± 0,2 10,0 ± 0,5	0* 0,34 ± 0,02 0,65 ± 0,03*	0,10 ± 0,01* 0,11 ± 0,02* 0,15 ± 0,05*	0,03 ± 0,001* 0,15 ± 0.01* 0,10 ± 0,02*	0,03 ± 0,002* 0,12 ± 0,01* 0,10 ± 0.01*	0,20 ± 0,01 0,З0 ± 0,05 3,10 ± 0,10

Примечания: 1. Цветность модельной воды - 178о, перманганатная окисляемость - 9,8 мг/л О2;

2. Фильтр-ЦК - фильтр "Царевин ключ";

3. АУ - фильтр с активированным углем - контроль;

4. ПДК ионов меди - 1,0 мг/л;

5. * курсив - различие с контролем достоверно.

Эффективность ПМС при всех концентрациях достоверно превышала эффективность АУ, за исключением концентрации 5,40 мг/л, когда эффективность шунгита и АУ достоверно не различались.

Таким образом, все изученные ПМС (шунгит, кремень и глауконитовый известняк) эффективно удаляли из воды тяжелые металлы (ионы двухвалентной меди) в концентрациях от 0,48 до 10 мг/л. При этом ПМС проявляли свою активность как в мягкой водопроводной воде с цветностью, удовлетворяющей нормативам СанПиН, так и в жесткой воде и высокоцветной воде, содержащей гуминовые вещества, в отличие от АУ, который оказался неэффективным в высокоцветной воде.

3.2.2. Органические токсиканты

Органическое загрязнение воды является следствием усиления антропогенного пресса на гидросферу. Известно, что показателем наличия в воде легко окисляемых органических веществ является величина перманганатной окисляемости воды /32, 33/. В пресных водах величина перманганатной окисляемости, выраженная в мг О2/л, практически соответствует уровню органического углерода. Крайние величины этого отношения составляют 0,65 ÷ 1,1 /37/. В таблице 9 представлены результаты изучения эффективности применения ПМС для снижения содержания в воде органических веществ.

Таблица 9.

Перманганатная окисляемость воды (Х±х) до и после пропускания

через фильтры (n = 3)

Окисляемость воды, мг О2 /л
N про бы	Исходная	Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	Фильтр-ЦК	АУ
1 2 3	6,8 ± 0,5 11.6 ± 0.8 15,6 ± 1.2	0,96 ± 0,03 1.15 ± 0,10 2,10 ± 0,15	3,10 ± 0,25* 3,80 ± 0,28* 4,65 ± 0,35*	3,15 ± 0,20* 3,75 ± 0,30* 4,00 ± 0,30*	2,10 ± 0,10 2,25 ± 0,20 2,75 ± 0,25	1,25 ± 0,10 1,75 ± 0,09 2,15 ± 0,10

Примечания: 1. Проба 1 - водопроводная вода из Московского ра­йона г. Санкт-Петербург;

2. Проба 2 - вода из городского пруда (Кировский район г. Санкт-Петербург);

3. Проба 3 - вода из мелиоративного канала (Петродворцовый район г. Санкт-Петербург);

4. Фильтр-ЦК - фильтр "Царевин ключ";

5. АУ - фильтр с активированным углем - контроль;

6. Норматив окисляемости воды по СанПиН 2.1.4.1074-01 для питьевой воды - не более 5,0 мг О2 /л;

7. * курсив - различие с контролем достоверно.

Применение фильтров с ПМС при всех испытанных величинах перманганатной окисляемости (от 6,8 в водопроводной воде до 15,6 в воде из мелиоративного канала) способствовало значительному снижению данного показателя обработанной воды. Во всех вариантах вода после фильтрации через колонки с шунгитом, кремнем и глауконитовым известняком, а также через фильтр "Царевин ключ", содержащий все три варианта ПМС, соответствовала требованиям СанПиН 2.1.4.1074-01 по показателю перманганатной окисляемости (менее 5,0 мг О2 /л).

Эффективность шунгита в отношении снижения окисляемости воды оказалась на одном уровне с АУ. Кремень и глауконитовый известняк значительно (в 2,5 раза) и достоверно уступали в эффективности АУ при разных исходных значениях окисляемости.

Одними из наиболее типичных и распространенных загрязнителей акваторий являются соединения фенольной природы. Их присутствие определяется как техногенными факторами, так и природными веществами гуминовой природы /30, 32, 122/.

В таблице 10 представлены результаты изучения эффективности применения ПМС для удаления из модельной водопроводной воды заг­рязнений фенолом.

Таблица 10.

Содержание фенола (Х±х) в модельной водопроводной воде до и после пропускания через фильтры (n = 3)

Содержание фенола в воде, мг/л
Исходное	. Тип фильтра
Шунгит	Кремень	Глауконит	Фильтр-ЦК	АУ
34,5 ± 1,5 1,5 ± 0,1 0,05 ± 0,001	< 0,001 < 0,001 < 0,001	11,1 ± 0,5 0.01 ± 0.001* < 0.001	0,08 ± 0,003* 0,002 ± 0,001* < 0,001	<0,001 <0,001 <0,001	<0,001 <0,001 <0,001

Примечание: 1. Жесткость воды - 0,8 ÷ 0.9 мг-экв/л, цветность - 100;

2. ПДК фенола - 0,001 мг/л;

3. * курсив - различие с контролем достоверно.

При исходной концентрации фенола в модельной водопроводной воде 0, 05 мг/л во всех вариантах опыта (для всех использованных ПМС и АУ) его концентрация после прохождения через фильтр была ниже чувствительности метода определения (<0,001 мг/л) и, соответственно, ниже ПДК.

При более высоких исходных концентрациях (1,5 ÷ 34,5 мг/л) наблюдались различия в эффективности ПМС и АУ. Так, шунгит и фильтр "Царевин ключ", также как и АУ удаляли фенол из воды до концентрации ниже ПДК (значения концентрации фенола достоверно не различались для разных сорбентов).

Использование глауконитового известняка при исходной концентрации фенола 1,5 мг/л снизило содержание загрязнителя до кон­центрации, близкой к ПДК (0,002±0,001 мг/л). В этой же ситуации использование фильтра с кремнем привело к снижению концентрации фенола до 0,01 мг/л, что составляет 10 ПДК.

При исходной концентрации фенола 34,5 мг/л применение филь­тра с кремнем привело к снижению содержания загрязнителя в 3 раза (до 11,1 мг/л), а применение глауконита снизило концентрацию фенола в 431 раз (до 0,08 мг/л).

Из приведенных результатов анализа следует, что все испытан­ные ПМС успешно справлялись с удалением из водопроводной воды фенола на уровне 0,05 мг/л (что составляет 50 ПДК). Более высокие концентрации фенола (1,5 ÷ 34,5 мг/л), характерные для промышлен­ных сточных вод, удалялись до уровня ПДК для питьевой воды шунгитом, а также с помощью фильтра, содержащего комплекс из всех трех ПМС. При этом эффективность шунгита и фильтра "Царевин ключ" дос­товерно не уступала эффективности АУ.