§ 1. Физические константы воды

Химически чистая вода - жидкость без запаха, вкуса, цвета, состоит из 11,11 % водорода и 88,89 % кислорода.

§ 2. Внутренняя структура воды

Молекулы воды расположены в форме неправильного тетраэдра: в центре - атом кислорода, в противоположных углах одной из граней куба - два атома водорода, угол между которыми составляет 104°31’. Два из восьми электронов атома кислорода расположены около ядра, два других связаны с атомами водорода, а две пары электронов образуют ветви, расположенные в направлении, противоположном электронным облакам водорода.

Ветви электронных облаков являются областями сосредоточения отрицательных зарядов, они обусловливают водородную связь между молекулами воды и других веществ.

§ 3. Структура жидкой воды

В основе многочисленных моделей жидкая вода рассматривается как кристаллическое вещество (жидкие кристаллы).

Упорядоченное (кристаллическое) расположение частиц воды в жидком состоянии доказано экспериментально. Полагают, что при плавлении льда его решетка частично разрушается и эти пустоты, а также ажурная структура льда заполняются освободившимися молекулами воды. Плотность жидкой воды вследствие этого увеличивается. Учеными подсчитано, что в жидкой фазе при 0 °С несвязанные, заполняющие пустоты молекулы составляют около 16% от общего количества.

В теории структуры воды, созданной Берналом и Фаулером, существование максимума плотности воды при температуре 4 °С объясняется тем, что при этой температуре преобладающая часть молекул воды связана в кварцеподобную структуру, а при других температурах они имеют тридимитоподное кристаллическое строение, соответствующее меньшей плотности.

§ 4. Изотопный состав воды

Вода - продукт соединения двух химических элементов, имеющих несколько изотопов.

Для водорода известны три изотопа:

протий H, массовое число 1;

дейтерий H(D), массовое число 2;

тритий H(T), массовое число 3.

Содержание дейтерия в природной смеси изотопов водорода 0,014-0,015 %. Для кислорода известны также три изотопа с массовыми числами 16, 17 и 18, соотношение которых в природной смеси изотопов равно 2670:1:5.

Природная вода является смесью различных видов молекул следующего состава:

Вода - это смесь девяти различных видов молекул, поэтому в зависимости от их количественного соотношения изменяются свойства воды, особенно ее плотность.

В составе льда преобладают молекулы тригидроля, в составе водяного пара (при температуре свыше 100°С) - молекулы гидроля, а в капельно-жидкой воде - смесь гидроля, дигидроля и тригидроля, соотношения между которыми меняются с изменением температуры.

Особенностями структуры воды обусловлены ее следующие аномалии:

1) наибольшую плотность вода имеет при 4 °С, с понижением температуры до 0 °С или с повышением до 100 °С плотность ее уменьшается;

2) объем воды при замерзании увеличивается примерно на 10%, при этом твердая фаза становится легче жидкой;

3) вода обладает высокой удельной теплоемкостью, которая с повышением температуры до 40 °С уменьшается, а затем вновь увеличивается;

4) вода обладает весьма большой удельной внутренней энергией (318,8 Дж/кг);

5) вода замерзает при 0 °С, с увеличением давления температура замерзания понижается и достигает своего минимального значения (-22°С) при давлении 211,5 МПа;

6) вода обладает наибольшим удельным количеством теплоты (2156 Дж/кг) при температуре 100 °С;

7) вода обладает наиболее высокой диэлектрической проницаемостью при 20 °С;

8) вода обладает самым большим поверхностным натяжением по сравнению с другими жидкостями.

При взаимодействии со щелочами вода ведет себя, как кислота, а при взаимодействии с кислотами - как основание. В процессе реакции активных металлов и воды выделяется водород. Вода вызывает процесс обменного разложения (гидролиз), взаимодействуя с некоторыми солями.

Всякий раствор состоит из растворителя и растворенного вещества. Если раздробленное вещество доведено в растворителе до молекулярного состояния, такая система называется молекулярным, или истинным раствором, или просто раствором.

Растворимостью называют количество вещества (в граммах), насыщающее 100 г растворителя при данных условиях.

Концентрацией называют содержание растворимого вещества в единице объема или массы раствора.

Наиболее распространены объемная, массовая, молярная, моляльная и нормальная системы концентраций.

Объемная концентрация определяется количеством (в граммах) растворенного вещества, содержащегося в 1 л раствора (г/л).

Молярным называют раствор, содержащий в 1 л объема 1 моль растворенного вещества.

Моляльным называют раствор, содержащий 1 моль растворенного вещества в 1000 г растворителя.

Нормальным называют раствор, в 1 л которого содержится 1 моль растворенного вещества.

Подземные воды

Подземные воды широко используют для нужд водоснабжения. Они распространены на значительных площадях и не требуют транспортирования на большие расстояния, обладают низкой и устойчивой температурой и могут быть использованы без очистки и обработки для хозяйственно-питьевых целей. Подземные воды защищены от опасных воздействий каких-либо загрязнений.

Согласно Основам водного законодательства Союза ССР и союзных республик, использование подземных вод питьевого качества для нужд, не связанных с питьевым и бытовым водоснабжением, как правило, не допускается. Только в районах, где отсутствуют необходимые поверхностные водные источники и имеются достаточные запасы подземных вод питьевого качества, органы по регулированию использования и охране вод могут разрешить применять их для целей, не связанных с питьевым и бытовым водоснабжением.

По геолого-гидрогеологическим условиям могут быть выделены следующие основные типы геологических структур и образований, а также связанные с ними подземные воды [11]:

а) речные долины; б) артезианские бассейны платформ и геосинклинальных областей; в) конусы выноса предгорных шлейфов и межгорных впадин; г) ограниченные по площади структуры и массивы трещиноватых и трещинно-карстовых пород, а также зоны тектонических нарушений; д) песчаные массивы пустынь и полупустынь; е) надморенные и межморенные водно-ледниковые отложения.

На долю речных долин и артезианских бассейнов платформ приходится более 60% всех разведанных и эксплуатируемых участков подземных вод.

В зависимости от условий залегания и гидродинамических особенностей подземные воды делят на верховодку, грунтовые и артезианские. В северных и северо-восточных районах СССР, находящихся в пределах зоны многолетнемерзлых пород, подземные воды делят на три типа: 1) надмерзлотные, залегающие над толщей многолетней мерзлоты, служащей для них водоупором; 2) межмерзлотные, заключенные внутри толщи многолетней мерзлоты; 3) подмерзлотные, находящиеся ниже толщи многолетней мерзлоты.

Для водоснабжения используют, в основном подмерзлотные и межмерзлотные воды, к которым относятся подземные воды, проходящие в трещиноватых осадочных и изверженных породах Алданского района и аллювиальных отложениях речных долин в северных районах европейской части страны, в Сибири, а также в южных районах Восточной Сибири и Дальнего Востока [22].

При проектировании скважин на воду и системы водоснабжения любого объекта прежде всего должно быть определено, сколько воды и какого качества необходимо подавать данному объекту.

Вода расходуется различными потребителями для самых разнообразных целей: а) хозяйственно-питьевые нужды населения; б) производственные нужды предприятий промышленности и сельского хозяйства; в) тушение пожаров.

Для ориентировочного определения расчетного расхода воды проектируемой разведочно-добывающей скважины можно использовать данные табл. 1.

Таблица 1

Расчетные нормы расхода воды [16]

Количество воды на нужды местной промышленности, обслуживающей население, и неучтенные расходы допускаются дополнительно в размере 5-10% от суммарного расхода воды на хозяйственно-питьевые нужды населенного пункта.

Для определения общего суточного количества воды, необходимого для водоснабжения объекта, величину, полученную по нормам табл. 1, нужно умножить на коэффициент суточной неравномерности (1,1-1,3) и сложить с количеством воды, требуемым для восстановления противопожарного запаса.

Расход воды на противопожарные нужды зависит от числа жителей и характера застройки (табл. 2).

Таблица 2

Расходы воды на наружное пожаротушение

Количество воды, требуемое для противопожарных целей, должен обеспечивать неприкосновенный запас в резервуарах, который необходимо восстанавливать из скважины в течение следующего времени:

а) 24 ч - в населенных пунктах и на промышленных предприятиях с производством, отнесенным по пожарной опасности к категориям А, Б и В;

б) 36 ч - на промышленных предприятиях с производствами, отнесенными по пожарной опасности к категориям Г и Д;

в) 72 ч - в сельских населенных пунктах и на сельскохозяйственных предприятиях.

При определении часового дебита проектируемой разведочно-добывающей скважины следует считать продолжительность работы водопроводов для городов, больших поселков и крупных промышленных предприятий 20-22 ч/сут, а для средних и небольших объектов 8-12 ч/сут.

При выборе источника водоснабжения следует в первую очередь ориентироваться на артезианские (напорные) воды, надежно защищенные от внешнего загрязнения.

При отсутствии или невозможности использования таких источников необходимо переходить к другим источникам в следующем порядке:

а) межпластовые безнапорные воды (в том числе ключи и родники); б) трещинно-карстовые воды при условии их особо тщательной гидрогеологической разведки и характеристики; в) грунтовые воды, в том числе инфильтрационные, подрусловые и искусственно пополняемые; г) открытые водоемы (реки, водохранилища, озера, пруды, каналы).

При использовании подземных вод для централизованного водоснабжения рекомендуется выбирать такие водоисточники, качество воды которых соответствует требованиям ГОСТа.

Для обеспечения санитарной надежности проектируемых и действующих систем централизованного водоснабжения для всех водоисточников должны быть предусмотрены зоны санитарной охраны.

Пригодность источника для централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения и место водозабора устанавливают органы и учреждения санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения СССР и союзных республик, а также медицинские службы других ведомств, на которые возложено решение этого вопроса. Оценка подземного источника для хозяйственно-питьевого водоснабжения осуществляется на основе:

а) санитарного состояния места размещения водозаборных сооружений и прилегающей территории; б) качества воды; в) степени природной и санитарной надежности, а также прогноза их санитарного состояния.

Классификация источников подземных вод по величине их дебита приведена в табл. 3.

Таблица 3

Классификация источников подземных вод по величине дебита

(по О. Мейнцеру и Г.А. Максимовичу)

Пробы, характеризующие качество воды водоносного горизонта, могут забираться из соседних, уже существующих скважин, колодцев и каптажей, использующих тот же горизонт, или же из опытных добывающих скважин при условии идентичности водоносного горизонта, подтвержденной гидрогеологическим заключением.

Пробы воды вновь сооруженных или долго бездействующих скважин должны отбираться после длительной откачки, выполненной до постоянного динамического уровня и полного осветления воды при производительности, равной или несколько большей запроектированной.

При эксплуатации существующих скважин пробы воды отбираются специальными глубинными пробоотборниками.

Перед отбором проб воды из скважины для анализа необходимо во всех случаях предварительно производить откачку в течение 24 ч.

Для сохранения воды до анализа пробы иногда консервируют. Консервирование воды позволяет сохранить компоненты, содержащиеся в воде, и их свойства в том состоянии, в каком они находились в ней в момент взятия пробы.

Список компонентов со сроками определения проб, с условиями их транспортировки и хранения приведен в табл. 4.

Таблица 4

Список компонентов со сроками определения проб

Во всех случаях компоненты необходимо определять не дольше 3 сут, потому что пробы, доставленные позже, теряют свои свойства и анализ их делать бессмысленно, так как полученные результаты будут ненадежны.

Если проба не была законсервирована, то определение производят:

а) сразу же на месте отбора пробы или в лаборатории, если она находится вблизи места отбора пробы; б) как можно раньше, но не позже чем через 2 ч после взятия пробы; в) в тот же день, но не позже чем через 12 ч после отбора пробы.

Температура и pH воды очень быстро изменяются, так как газы, содержащиеся в воде, например кислород, двуокись углерода, сероводород или хлор, могут улетучиться из пробы или появиться в ней. Эти и подобные им вещества надо определять на месте отбора пробы или фиксировать.

Изменение равновесия системы (величины pH, содержания карбонатов, свободной двуокиси углерода) может вызвать изменение других компонентов, содержащихся в пробе. Некоторые компоненты могут выделиться в виде осадка или, наоборот, из нерастворимой формы перейти в растворимую - это относится особенно к солям железа, марганца, кальция.

В неконсервированной пробе обычно протекают различные биохимические процессы, вызванные деятельностью микроорганизмов. Нитраты могут восстановиться до нитритов, сульфаты - до сульфидов. Может измениться цвет, мутность и прозрачность воды. Некоторые компоненты могут адсорбироваться на стенках бутыли (медь, железо, кальций, алюминий, марганец, хром, цинк, фосфаты) или выщелачиваться из стекла или пластмассы бутыли (бор, кремний, натрий, калий).

Даты отбора пробы и начала анализа должны быть указаны в протоколе анализа. Следует принимать все меры для того, чтобы сократить время между отбором пробы и ее анализом.

Транспортировать пробы следует быстро, но осторожно.

Общий химический анализ воды условно разделяют на три типа: полный, сокращенный и полевой.

Для того чтобы произведенный анализ природной воды достаточно надежно отражал качество воды источника, нельзя ограничиваться одной случайной пробой, так как качество воды в источнике может претерпеть сезонные изменения.

Для установления качества воды подземных источников должен быть выполнен анализ следующих проб:

а) не менее двух разовых проб из межпластовых напорных водоносных горизонтов, взятых с интервалом отбора не менее 24 ч для каждого водоносного горизонта в отдельности; для других подземных источников водоснабжения пробы отбирают в течение года в каждый характерный для данного климатического района период из каждого водоносного горизонта в отдельности по две пробы с интервалом отбора не менее 24 ч;

б) отобранные после сильных дождей через интервал времени, достаточный для прохождения воды через закарстованную горную породу, для источников водоснабжения в карстовых районах;

в) для скважин, уже эксплуатируемых, в случае колебаний органолептических, химических и бактериологических показателей анализа проб, взятых, как указано в пункте "а".

В анализе каждой пробы должно быть указано: наименование источника, дата (число, час), место и глубина взятия пробы, кем отобрана проба; метеорологические условия - температура воздуха и осадки в день взятия пробы; время доставки пробы в лабораторию для анализа. Дата производства анализа: начало, окончание. Наименование и адрес лаборатории.

Результаты анализа проб воды должны содержать следующие показатели.

I. Органолептические показатели качества воды:

1) запах при 20 °С - качественно, в баллах; 2) запах при 60 °С - качественно, в баллах; 3) привкус при 20 °С - качественно, в баллах; 4) цветность по шкале в градусах; 5) мутность по стандартной шкале в мг/дм; содержание в мг/дм; 6) сухого остатка; 7) хлориды (); 8) сульфаты (); 9) железо (); 10) марганец (); 11) медь (); 12) цинк (); 13) общая жесткость в моль/дм; 14) водородный показатель (pH).

II. Показатели содержания токсических химических веществ в мг/дм:

15) бериллий (Be); 16) молибден (Mo); 17) мышьяк (); 18) нитраты (по N); 19) свинец (); 20) селен (Se); 21) стронций (); 22) фтор (); 23) уран (U); 24) радий (Ra) в Бк/дм.

III. Микробиологические показатели воды:

25) число сапрофитовых бактерий в мл; 26) индекс бактерий группы кишечных палочек.

IV. Дополнительные показатели, полученные при исследовании в случае подозрения на загрязнение источника водоснабжения:

27) содержание аммония солевого (по N) в мг/дм; 28) окисляемость (перманганатная); 29) содержание в мг/дм нитритов (по N); 30) промышленные загрязнения.

Привкус определяют при отсутствии подозрений на загрязненность воды.

Перечень показателей допускается изменять по согласованию с санитарно-эпидемиологической службой в зависимости от местных природных и санитарных условий.

В зависимости от целевого назначения проектируемого или существующего водопровода в анализах проб воды могут быть отражены те или иные свойства воды.

Так, в анализе проб воды, подаваемой в систему питания водяных или паровых котлов, должны быть отражены свободная углекислота, кремнекислота, натрий + калий, кальций. А такие показатели, как запах, прозрачность, железо, нитраты, коли-титр и другие, отражать в анализе не следует (табл. 5).

Таблица 5

Целевое назначение водопровода в зависимости от свойств воды [9]

Качеством воды называется совокупность свойств воды, обусловленная в основном концентрацией содержащихся в ней компонентов.

В состав воды в виде различных химических соединений входят около 50 элементов, многие из которых содержатся в малых количествах, но также влияющих на ее свойства. Природные воды всегда содержат несколько компонентов. В зависимости от размера частиц, составляющих компоненты воды, различают:

1) растворенные компоненты, частицы которых находятся в состоянии молекулярной или ионной дисперсности (размер частиц менее 0,1 мкм); к ним можно отнести растворенные в воде газы (кислород, углекислый газ, сероводород, азот) а также катионы и анионы растворенных в воде солей кальция, магния, натрия, калия, хлора и др.

2) коллоидные компоненты, частицы которых находятся в состоянии высокой дисперсности (размер частиц 0,1-10 мкм). Эти компоненты могут быть органического и минерального происхождения. К органическим относятся гумминовые вещества и масла (масла попадают в воду со сточными водами), а к минеральным - кремниевая кислота (SiO), соединения металлов и др.;

3) грубодисперсные компоненты, имеющие размеры частиц больше 10 мкм. Эти компоненты могут быть:

а) всплывающие, их плотность меньше плотности воды; б) тонущие, плотность которых больше плотности воды; в) взвешенные, плотность которых близка к плотности воды.

При определении качества воды различают следующие свойства.

Физические: температура, запах, вкус и привкус, прозрачность, муть и осадок, взвешенные вещества, электропроводность.

Химические: активная реакция, щелочность, жесткость, сухой остаток, железо, сульфаты и хлориды, азотсодержащие вещества, окисляемость, сероводород, растворенный кислород, мышьяк, фтор, медь, цинк, марганец, свободная углекислота, кремниевая кислота.

Бактериологические: общее число бактерий, коли-титр, коли-индекс.

Качество питьевой воды, подаваемой централизованной хозяйственно-питьевой системой водоснабжения, регламентируется ГОСТом.

Состав и свойства воды при любом типе водоисточника, способе обработки воды и конструктивных особенностях водопроводной сети должны обеспечивать безопасность ее в эпидемиологическом отношении, безвредность химического состава и благоприятные органолептические свойства.

Вода, подаваемая потребителям, должна быть защищена от случайного или систематического загрязнения путем устройства зон санитарной охраны и герметичности водопроводных систем.   

Постоянство температуры подземных вод в разное время года указывает на отсутствие подтока поверхностных вод.

Оптимальной температурой воды для питьевых целей считается 7-10 °С, предельно допустимой 35 °С.

2. Запах, вкус и привкус воды зависят главным образом от рода примесей, содержащихся в воде.

Запахи, вкус воды обусловливаются наличием растворенного в ней сероводорода, солей железа, марганца и различных органических примесей. Характер и интенсивность запахов и привкуса воды устанавливаются органами чувств.

Вода может иметь:

а) запахи естественного происхождения - от живущих и отмерших в воде организмов, от влияния веществ, содержащихся в грунтах и древесине сруба колодцев; б) запахи искусственного происхождения - от различных сточных вод, от обработки воды различными реагентами и т.д.

К запахам естественного происхождения относятся: ароматический, болотный, гнилостный, землистый, рыбный, сероводородный и т.д. К запахам искусственного происхождения относятся фенольный, камфарный, хлорный и др.

Вкусовая характеристика воды оценивается четырьмя видами: соленым, горьким, сладким и кислым. Предельная концентрация солей, вызывающая вкусовые ощущения, приведена в табл. 6. Интенсивность запаха, вкуса и привкуса оценивается по условной пятибалльной системе по ГОСТ 3351-74. Согласно ГОСТу питьевая вода должна иметь запах и привкус не более 2 баллов при 20 °С.

Таблица 6

Сравнительная таблица предельной концентрации солей, вызывающих вкусовые ощущения [7]

3. Прозрачность воды характеризуется наличием в ней взвешенных и коллоидных примесей и определяется согласно ГОСТ 3351-74 по "Кресту" или по "Шрифту".

Определение прозрачности по "Кресту" применяют при регулярном контроле вод фильтровальных станций и водопроводной воды.

Сущность определения прозрачности воды по "Кресту" сводится к тому, что воду наливают в стеклянный цилиндр высотой 3500 мм. На дно цилиндра помещают фарфоровый кружок, разделенный двумя перпендикулярными линиями толщиной 1 мм на 4 равные сектора. В центре каждого сектора имеется черная точка диаметром 1 мм. Вблизи нижней части цилиндра устанавливают искусственный источник света - электролампочку в 300 Вт. Глаз испытателя должен располагаться примерно на 5 см выше верха цилиндра. Высота столба воды (в см) соответствует тому моменту, когда становятся отчетливо видимы черные точки на фарфоровом кружке, т.е. она выражает собой прозрачность воды по "Кресту".

Прозрачность воды по "Шрифту" определяют на приборе Снеллена, который представляет собой стеклянный градуированный цилиндр высотой не менее 30 см, укрепленный на подставке, под которую подкладывают стандартный шрифт. Высота столба воды (в см), через который еще возможно чтение шрифта, определяет прозрачность воды по "Шрифту".

Для воды питьевого качества норма прозрачности по "Кресту" 300 см, по "Шрифту" 30 см.

При прозрачности воды менее 10 см обязательно определяют взвешенные вещества.

Если в воде взвешенных веществ находится менее 3 мг/л и прозрачность определить трудно, то в этом случае определяют мутность воды, выраженную в мг/л.

Между содержанием взвешенных веществ в воде и ее прозрачностью нет прямой зависимости, так как прозрачность воды зависит не только от количества взвешенных веществ, но и от степени их дисперсности. Однако такую зависимость можно установить по графику (рис. 1).

Рис. 1. График зависимости прозрачности воды по "Кресту" от количества взвешенного вещества

4. Цветность воды. Цветностью воды называется ее окраска, вызываемая гумминовыми и танниновыми веществами, коллоидными соединениями железа, а также сточными водами некоторых производств. Причиной окраски различных подземных вод могут быть вещества, извлекаемые водой из торфа, гумуса, болотной почвы, отмерших растений.

Цветность придает воде неприятный вид и может влиять на качество продукции некоторых производств.

Цветность воды измеряется в градусах платиново-кобальтовой шкалы по ГОСТ 3351-74. За 1° цветности принимается цветность раствора по платиново-кобальтовой шкале, содержащего в 1 л 2,49 мг хлорплатината калия и 2 мг хлористого кобальта.

Согласно ГОСТу для питьевой воды цветность допускается не более 20°. По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы цветность воды может быть до 35°.

5. Мутность воды определяется на мутномерах путем сравнения мутности испытуемой воды с эталонами, приготовленными из инфузорной земли или каолина, имитирующих разную степень мутности воды. Мутность питьевой воды согласно стандартной шкале должна быть не более 1,5 мг/л.

6. Взвешенные вещества не всегда присутствуют в воде подземных источников. Взвешенные вещества попадают в воду этих источников в результате проникновения с дождевыми и талыми водами песчаных и глинистых частиц.

Концентрация взвешенных веществ в воде в разное время года неодинакова и может изменяться в десятки и сотни раз.

Согласно ГОСТу допускаемое содержание взвешенных веществ в питьевой воде должно быть не более 2 мг/л, а в оборотной воде 50-200 мг/л.

Содержание взвешенных веществ в воде определяется при прозрачности менее 10 см массовым методом. Для этого определяемый объем испытуемой воды фильтруют через предварительно высушенный до постоянной массы взвешенный бумажный фильтр. После окончания фильтрования фильтр вновь высушивают в сушильном шкафу при температуре 105°С до постоянной массы и взвешивают. Прирост в массе фильтра, пересчитанный на 1 л воды и выраженный в мг/л, показывает концентрацию в воде взвешенных веществ.

Прямое определение концентрации взвешенных веществ трудоемко и занимает много времени. Поэтому часто ограничивается нахождением косвенного показателя, зависящего от содержания взвешенных веществ, а именно - от прозрачности воды. При прозрачности воды 30 см содержание взвешенных веществ не определяют.

7. Электропроводность воды тем выше, чем больше ее солесодержание. Этим обстоятельством пользуются при контроле работы отдельных очистных сооружений и аппаратов водоподготовки - натрий-катионирования и при ионитовом обессоливании воды.

Химические свойства воды для БУРЕНИя СКВАЖИН

1. Активная реакция воды (pH), или водородный показатель - есть степень кислотности или щелочности воды и количественно характеризуется концентрацией водородных ионов (табл. 7).

Таблица 7

Зависимость реакции воды от концентраций водородных ионов

Согласно ГОСТу pH питьевой воды должна быть в пределах 6,5-8,5.

2. Щелочность природных вод, как правило, обусловливается присутствием в ней бикарбонатов и гуматов, т.е. солей слабых органических кислот. Щелочность выражается в моль/л.

3. Жесткостью называют суммарную концентрацию в ней ионов кальция и магния (в моль/л или в градусах). 1° жесткости соответствует 0,357·10 моль/л, а 1·10 моль/л соответствует 2,8° жесткости.

Различают жесткость общую, карбонатную, некарбонатную. Карбонатной жесткостью называется часть общей жесткости, обусловленная содержанием в воде бикарбонатов и карбонатов кальция и магния.

Некарбонатная жесткость обусловливается содержанием в воде главным образом сульфатов и хлоридов кальция и магния и в меньшей мере - нитратов и силикатов кальция и магния (гипс, хлористый магний).

Пользование водой повышенной жесткости вызывает перерасход мыла, усиленный износ белья при стирке, затрудняет варку овощей, мяса и др.

Согласно ГОСТу величина общей жесткости воды питьевого качества установлена не выше 7·10 моль/л, а в особых случаях по согласованию с СЭС - не выше 10·10 моль/л.

4. Сухой остаток. Общим (плотным) остатком называется показатель, характеризующий концентрацию в воде примесей (кроме газов) в основном неорганического и частично органического происхождения. Он определяется как остаток от упаривания известного объема нефильтрованной пробы, высушенной при 110°С до постоянной массы.

Растворенный (сухой) остаток отличается от общего (плотного) только тем, что пробу воды перед выпариванием фильтруют.

Прокаленным остатком называют показатель, характеризующий содержание в воде неорганических примесей (кроме газов) и определяемый взвешиванием остатка после упаривания известного объема воды и прокаливания при 800°С. В зависимости от того, фильтруют или не фильтруют воду перед ее упариванием и прокаливанием, различают прокаленный растворенный остаток и прокаленный общий остаток. Прокаленный растворенный остаток, по существу, характеризует солесодержание воды.

Согласно ГОСТ 17.1.3 03-77 для питьевого водоснабжения может быть выбран источник, растворенный остаток в воде которого не превосходит 1000 мг/л. В противном случае необходимо принимать меры по снижению растворенного остатка до указанной нормы.

По содержанию растворенных веществ воды можно подразделять на: а) пресные, с содержанием растворенных веществ до 0,1%; б) соленые, с содержанием растворенных веществ от 0,1 до 5%.

Согласно ГОСТу сухой остаток в питьевой воде должен быть не более 1000 мг/л.

По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы содержание сухого остатка допускается до 1500 мг/л.

5. Железо в природных водах может содержаться в ионной форме (двух- и трехвалентное железо в виде неорганических и органических коллоидов), в виде комплексных соединений или тонкодисперсной взвеси.

В подземных водах чаще всего встречается растворенное двухвалентное железо. В подземных водах содержание железа может колебаться от тысячных долей до десятков миллиграммов в 1 л. Согласно ГОСТу содержание железа в воде не должно превышать 0,3 мг/л.

При использовании подземных вод без установок по обезжелезиванию воды по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы содержание железа в воде, поступающей в водопроводную сеть, допускается до 1,0 мг/л.

6. Сульфаты и хлориды встречаются во всех природных водах и чаще всего в виде кальциевых, магниевых и натриевых солей. Естественное содержание сульфатов в артезианских и грунтовых водах обусловлено выветриванием пород и биологическими процессами в водоносных слоях.

Содержание сульфатов в подземных водах может быть обусловлено перетоком в намечаемый к использованию водоносный горизонт вод из других водоносных горизонтов. Повышенное содержание сульфатов и хлоридов обусловливает повышенный растворенный остаток воды. При некоторых сочетаниях содержания сульфатов и хлоридов при концентрации SO больше 250 мг/л и при концентрации Cl от 0 до 3000 мг/л вода приобретает коррозийные свойства по отношению к бетонам, затворенным на портландцементе.

Большое количество хлоридов в воде может быть вызвано вымыванием поваренной соли или других хлористых соединений из соприкасающихся с водой пластов. В последнем случае в воде наблюдается присутствие аммиака, нитритов, повышенная окисляемость и плохие бактериологические показатели.

Воды, содержащие более 500 мг/л сульфатов и более 350 мг/л хлоридов, отрицательно влияют на желудочно-кишечный тракт человека. Согласно ГОСТу содержание хлоридов в питьевой воде должно быть не более 350 мг/л, а сульфатов не более 500 мг/л.

7. Азотсодержащие вещества. Аммиак (NH), нитриты (NO) и нитраты (NO) образуются в результате разложения белковых соединений, попадающих почти всегда со сточными бытовыми водами. Наличие в воде аммиака и отсутствие нитритов указывает на свежее загрязнение воды, а совместное их присутствие свидетельствует о том, что с момента первичного загрязнения прошел некоторый период времени. Отсутствие аммиака при наличии нитритов и особенно нитратов указывает на то, что загрязнение произошло давно и вода самоочищается.

Допустимой для питьевых целей считается вода, содержащая лишь следы аммиака и азотистой кислоты (нитритов) и не более 10 мг/л азотной кислоты (нитратов).

Повышенное содержание нитратов (более 50 мг/л) в воде, постоянно используемой для питьевых нужд, приводит к нарушению окислительной функции крови [23].

8. Окисляемость воды. В природных водах содержатся в тех или иных количествах органические вещества в коллоидном или истинно-растворенном состоянии. Вещества появляются в воде вследствие распада растительных и животных организмов или в результате сброса промышленных либо бытовых сточных вод.

Окисляемость воды обусловливается содержанием в ней органических и некоторых легкоокисляющихся неорганических примесей (сероводород, закисное железо и др.). Количество кислорода, эквивалентное расходу окислителя, называется окисляемостью. Окисляемость природных вод колеблется от 1 до 60 мг/л кислорода, а в болотных водах может достигать сотен мг/л кислорода.

Наименьшая величина окисляемости у артезианских вод 1-3 мг/л О. Окисляемость в пределах 20-60 мг/л характерна для вод, расположенных в болотистых местностях, и служит указанием на загрязнение воды. По окисляемости можно приблизительно установить содержание органических веществ в воде. Резкое увеличение окисляемости воды источника свидетельствует о его загрязнении сточными водами.

Предварительная обработка воды на водоочистных сооружениях только частично устраняет указанные загрязнения.

Всякая вода содержит легко- и трудноокисляющиеся органические вещества, и в зависимости от степени загрязнения они могут быть окислены сильными окислителями - перманганатом, бихроматом и др.

9. Сероводород помимо неприятного запаха и коррозионных свойств, которые он придает воде, способен вызывать зарастание труб вследствие развития серобактерий.

Содержание в воде сероводорода (HS) в зависимости от активной реакции (pH) при температуре 25 °С в процентах от общего количества следующее:

10. Растворенный кислород. Вода, соприкасающаяся с воздухом, содержит кислород в равновесной концентрации, зависящей от атмосферного давления, температуры и содержания растворенных в воде солей.

Равновесная концентрация кислорода в дистиллированной воде, которая при нормальном давлении соприкасается с воздухом, не содержащим углекислый газ, и насыщена водяным паром, составляет 20,9 мг/л; при 0 °С равновесная концентрация кислорода в природной воде равна 14,65 мг/л.

Отклонение действительной концентрации кислорода от равновесной вызывается:

а) физическими явлениями, например резким изменением барометрического давления, изменением температуры воды;

б) физико-химическими и химическими влияниями, например поглощением кислорода при электрокоррозии металла и потреблением его на химическое окисление веществ, содержащихся в воде или соприкасающихся с ней;

в) биохимическими влияниями, которые преобладают в естественных условиях, например потреблением кислорода при аэробном микробиальном разложении органических веществ или, наоборот, выделением кислорода при поглощении углекислого газа организмами.

Растворимость кислорода в воде зависит от ее температуры:

Растворенного кислорода в воде должно быть не менее 4 мг/л в любой период года.

11. Мышьяк обычно находится в воде в виде арсенатов. В подземных водах арсенаты присутствуют редко.

Мышьяк входит в состав некоторых минеральных, а также шахтных вод. В подземные воды мышьяк попадает из сточных вод обогатительных фабрик, из отходов производства красителей, кожевенных, химических и металлургических заводов.

Мышьяк может содержаться в смывах с площадей земли, где применяли инсектициды, содержащие мышьяк.

Содержание мышьяка в питьевой воде должно быть не более 0,05 мг/л.

12. Фтор. Содержание в питьевой воде фтора согласно ГОСТу допускается не более 1,5 мг/л для I и II климатических районов и 1,2 мг/л для III климатического района.

13. Медь, цинк, марганец. Согласно ГОСТу содержание меди в питьевой воде не должно превышать 1 мг/л, цинка 5 мг/л, марганца 0,1 мг/л.

14. Кремниевая кислота. Наличие кремниевой кислоты в воде препятствует использованию ее в котлах высокого давления.

В некоторых подземных водах SiO содержится до десятков мг/л.

Бактериологические свойства воды при БУРЕНИи СКВАЖИН

Для оценки бактериального благополучия воды пользуются так называемым коли-титром, равным числу миллилитров воды, в которой обнаружена одна кишечная палочка, или коли-индексом - числом кишечных палочек в 1 л воды.

Чем выше цифровое значение коли-титра, чем ниже значение коли-индекса, тем благополучнее вода в бактериальном отношении.

Согласно ГОСТу коли-титр должен быть не менее 300, а коли-индекс соответственно не более 3 (табл. 8).

Таблица 8

Определение бактериальных показателей воды

Вторым показателем бактериологических свойств воды является общее число бактерий в 1 мл. Для питьевой воды общее число бактерий в 1мл воды должно быть не более 100.

Для определения бактериальных показателей воды подземных источников согласно ГОСТ 18963-73 используется табл. 8.

Если кишечная палочка найдена в 100 мл воды, то эта вода считается "чистой", если в 10 мл - "достаточно чистой", если в 1 мл - "сомнительно чистой". При наличии кишечной палочки в 0,1 мл воду считают сильно загрязненной и непригодной для использования.

Коли-индекс очищенной воды должен быть не более 3.

Все применяемые в практике водоснабжения типы сооружений для приема подземных вод делятся на следующие группы: 1) водозаборные скважины; 2) копаные шахтные и забивные фильтровые колодцы; 3) горизонтальные водозаборы; 4) лучевые водозаборы; 5) каптаж родников.

Водозаборы подземных вод должны обеспечивать надежный прием необходимого количества подземных вод и подачу их под требуемым напором потребителям.

Состав сооружений и устройств водозабора подземных вод следует определять при проектировании в зависимости от местных условий. Водозабор, как правило, должен включать:

1) приемные устройства (скважины, шахтные колодцы, лучевые водозаборы, горизонтальные водосборы, каптажи источников); 2) насосные станции первого подъема; 3) трубопроводы.

В водоносных пластах, залегающих на глубинах более 10 м, следует устраивать скважины.

Водозаборы из скважин применяют и в тех случаях, когда подземные воды залегают на глубине менее 10 м от поверхности земли, а мощность водоносного пласта не менее 5-6 м. Но если водоносный пласт в этом случае представлен рыхлыми породами (песками, галечниками), то вместо скважины сооружают шахтный колодец (скважину большого диаметра).

По условиям производства строительных работ использование шахтных колодцев ограничивается глубиной залегания водоносного пласта до 30-40 м от поверхности земли.

Лучевые водозаборы следует применять для забора подземных вод в аллювиальных отложениях под руслами рек, а также при эксплуатации маломощных водоносных пластов, залегающих ниже 8 м от поверхности земли.

Каптажи следует использовать при концентрированном выходе подземных вод на поверхность (ключи, источники).

Тип водозаборных сооружений следует выбирать с учетом геологических, гидрогеологических и других природных особенностей района на основе технико-экономического расчета.

При размещении водозаборных сооружений подземных вод следует отдавать предпочтение участкам:

а) расположенным вблизи места потребления воды; б) обладающим наибольшей водообильностью и допускающим забор потребного количества и надлежащего качества воды; в) обеспечивающим наиболее высокое положение динамического уровня в процессе эксплуатации; г) обеспечивающим возможность расширения водозабора на перспективу.

Водозаборы следует располагать на устойчивых (не оползневых) и незатопляемых участках, а при отсутствии таких - предусматривать мероприятия по защите водозаборов (обвалование, подсыпку и др.). Участки для расположения водозаборов должны быть выбраны таким образом, чтобы исключалась возможность загрязнения эксплуатируемых водоносных горизонтов бытовыми и промышленными сточными водами, газонасыщенными водами и водами с повышенной минерализацией, содержащими железо и марганец, из других водоносных горизонтов. Скважина должна быть защищена от попадания воды, служащей для охлаждения подшипников, компрессоров и сальников.

В нефтедобывающей отрасли подшипники используются повсеместно. Эти детали широко применяются в насосах, буровых установках, нефтеперерабатывающем оборудовании, лебедках, вертлюгах и т.д. Надежность подшипника на нефтяном оборудовании имеет ключевую роль, ведь именно от этого зависит функциональность и надежность установки в целом. С учетом того, что такие подшипники работают в условия агрессивной среды, высокого давления и интенсивного износа, к их производству применяют повышенные стандарты качества, надежности и безотказности

С целью защиты используемых подземных вод от загрязнения сточными водами животноводческих ферм и других объектов должна быть организована санитарная зона участков расположения водозаборов. Зона санитарной охраны для подземных источников состоит из двух поясов, в каждом поясе должен быть установлен особый режим.

Первый пояс - зона строгого режима - должен включать: а) источник в месте забора воды; б) водопроводные сооружения: насосные станции, запасные и напорные резервуары и т.д.

Границы первого пояса зоны санитарной охраны должны устанавливаться в зависимости от степени защищенности горизонтов с поверхности от загрязнения и гидрогеологических условий на определенном расстоянии (в м) от водозабора:

Для одиночных подземных водозаборов, расположенных на территории объекта, исключающего возможность загрязнения почвы, расстояние от них до ограждения допускается уменьшать соответственно до 15 и 25 м.

Второй пояс зоны санитарной охраны - зона ограничения - должен включать:

а) источник, питающий данный водопровод;

б) бассейн питания водоисточника и его притока с границами по водоразделам, другие источники и грунтовые воды, которые могут оказать неблагоприятное влияние на качественный или количественный состав воды в водоисточнике;

в) окружающую территорию с населенными пунктами, фермами, зданиями, сооружениями и устройствами, оказывающими на источник определенное влияние.

На территории второго пояса запрещается:

располагать животноводческие фермы ближе чем на 300 м от границ первого пояса;

располагать стойбища и выпас скота ближе чем на 100 м от границы первого пояса.

Границы второго пояса определяют расчетом.

Наземные насосные станции первого подъема, применяемые в практике строительства над скважинами с насосами ЭЦВ, разработаны по плану типового проектирования Госстроя СССР. Все технические условия согласованы с Главным санитарно-эпидемиологическим управлением Минздрава СССР и утверждены Промстройпроектом Госстроя СССР.

Проект насосной станции первого подъема предназначен для строительства на объектах водоснабжения во всех отраслях народного хозяйства с температурой воды в водоисточнике не выше 25 °С на всей территории СССР с расчетной зимней температурой -20, -30 и -40 °С.

Такую типовую станцию можно применять:

1) при водозаборе из скальных, полускальных, галечных и других крупнозернистых пород, обеспечивающих нормальную эксплуатацию без чистки отстойной части скважины;

2) в районах с суровым климатом;

3) при отсутствии станций управления, пригодных для условий работы в шкафу на открытом воздухе;

4) при высоком уровне грунтовых вод и обильном их притоке, где по местным условиям не применимы заземленные камеры насосных станций.

Типовая насосная станция над одиночной скважиной состоит из наземного здания (павильона) размером в плане 3x3 м, в котором размещается оголовок скважины, водопроводное оборудование, приборы контроля и измерения, а также устройства для производства отбора проб воды с любой глубины.

Управление насосами - автоматическое и местное. Станция управления агрегатами и аппаратура автоматики находятся в шкафах внутри здания насосной станции.

Фундамент павильона бутобетонный, стены кирпичные, перекрытие монолитное, железобетонное. Фундамент устья скважины из бетона марки 100. Вентиляция естественная, отопление электрическое.

Расход воды в зависимости от суточной подачи насосной станции принят равным 3-9 м/ч, но не более 140 м/сут и контролируется водомером ВВ-50 или УВТ-50, при расходе воды 2,5-12 м/ч - дифманометром ДП-781Р с камерной диафрагмой ДКН10-50.

Основные задачи при проектировании водозаборов:

1) выбор типа, схемы и конструкции водозабора, насосного оборудования связывающих коммуникаций;

2) расчет производительности водозабора и понижений динамического уровня как в самом водозаборе, так и в зоне его влияния в течение намечаемого срока эксплуатации;

3) прогноз качества подземных вод и составление проекта зон санитарной охраны, а в случае необходимости также и специальных мероприятий по защите подземных вод от загрязнения бытовыми, производственными и другими сточными водами;

4) оценка возможного влияния проектируемого водозабора на существующие водозаборы, окружающую среду, флору и фауну;

5) составление сметы, технико-экономическая оценка различных вариантов водозабора.

Проектирование водозаборных сооружений при использовании в качестве источника водоснабжения подземных вод должно сопровождаться технико-экономическими расчетами и обоснованием намеченного к строительству водозабора. Сопоставление вариантов следует считать одним из важнейших элементов проектирования.

Необходимо рассматривать несколько участков одного водоносного горизонта или разных горизонтов вследствие возможности различных гидрогеологических параметров. Например, участок с лучшими параметрами и более водообильный может оказаться более удаленным от потребителя.

Определяющим фактором может служить наличие источников загрязнения подземных вод на том или ином участке, т.е. необходимость проведения в связи с этим специальных мероприятий по защите подземных вод и водозаборов от загрязнений или мероприятий по очистке вод.