XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сравнительный анализ качества водопроводной воды по разным округам города Москвы

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кулагин Д.И. 1

---

1ГБОУ Школа 171 г. Москва

Крахина Е.А. 1

---

1ГБОУ Школа 171 г. Москва

Работа в формате PDF

509.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современных реалиях качество водных ресурсов играет ключевую роль в жизнедеятельности человека. Для того, чтобы вода была чистой и отвечала всем необходимым санитарно-эпидемиологическим нормам, необходимо осуществлять мониторинг качества водопровода и водных ресурсов.  В государственном докладе Роспотребнадзора «О состоянии санитарно-эпидемиологического благополучия населения в Российской Федерации», прописаны случаи смертности граждан из-за низкого качества водопроводной воды, связанные с инфекционными заболеваниями, болезнями системы кровообращения, органов пищеварения и новообразованиями.

Актуальность исследования обусловлена необходимости предоставления гражданам общедоступной и достоверной информации о качестве водопроводной воды. Потребление недоброкачественной питьевой воды приводит к росту заболеваний как инфекционной, так и неинфекционной природы, связанной с химическим составом воды. В целях улучшения качества жизни граждан, необходимо соблюдение установленных нормативов в области водопользования.  

Цель исследования заключалась в эколого-химической оценки качества водопроводной воды и определении наиболее чистого источника водоснабжения. Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучение экологического состояния окружающей среды в административных округах Москвы;

2. Проведение качественной оценки материалов трубопроводной системы города;

3. Осуществление отбора проб воды в административных округах столицы, и перед водозабором рек в водопровод;

4. Проведение качественного и количественного химического анализа водопроводной воды и воды из поверхностных водотоков Москвы и Волги;

5. Проведение обработки собранных данных по качеству воды;

6. Выявление динамики изменения по качеству воды до забора и в водопроводе.

Гипотеза исследования: предположительно, воды из артезианских источников будут обладать наибольшим качеством в сравнении с водами из рек.

2. Эколого-техническая характеристика водопроводной системы Москвы

2.1. Нормативные документы

Для обеспечения качества воды в водоисточниках и системах водопотребления используется ряд нормативных документов, основанных на значениях предельно допустимых концентраций (ПДК) [2]. Основными нормативными актами и документами в области использования и охраны водных ресурсов являются:

1. ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством»;

2. ГОСТ 2761-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора»;

3. «Санитарные нормы предельно-допустимого содержания вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования» СанПиН 42-121-4130-88;

4. «Санитарные правила и нормы охраны поверхностных вод от загрязнения». СанПиН 4630-88;

5. «Водный кодекс РФ», 1997 год.

6. 2.2. Система водоснабжения города

Для установки точек и проведения отбора проб воды была изучена водопроводная система города, сроки ввода определенных участков в эксплуатацию и периоды реновации труб [1]. На основе информации АО «Мосводоканал» были изучены данные о источниках водозабора в водопроводную систему. На рис. 1. представлена картосхема водоснабжения столицы с указанием источника для забора воды.

Подготовка воды питьевого качества производится на четырех станциях водоподготовки (Рублевской, Западной, Северной, Восточной). После очистки вода насосными станциями второго подъема по водоводам подается в магистральные и разводящие трубопроводы города, сооружения 3-го подъема (регулирующие водопроводные узлы и насосные станции) и к потребителям.

Рис. 1. Схема водоснабжения г. Москвы

Водоснабжение потребителей Троицкого и Новомосковского административных округов осуществляется как от Западной станции водоподготовки, так и от водозаборных узлов, расположенных на территории округов, схема снабжения представлена на рис 2.

Рис. 2. Схема водоснабжения ТиНАО

На основе анализа картосхемы по водоснабжению столицы, было выявлено три источника водозабора – реки Москва и Волга, снабжающие около 80 % граждан, и артезианские воды, приуроченные к Троицкому и Новомосковскому административным районам. Важным фактором, влияющим на качество водных ресурсов, является время ввода в эксплуатацию и дальнейшею реновацию труб водоснабжения. В таблице 1 приведены данные о начальных сроках использования водопровода и источники водозабора.

Таблица 1. Параметры системы водоснабжения столицы

На основе анализа табличных данных о времени ввода в эксплуатацию технических сооружений прослеживается, что в Центральном и Восточном административных округах был заложен самый ранний водопровод. Участки водопровода в селитебных и зонах Новомосковском и Троицком районах были открыты в 2019 году, остальная часть будет введена в эксплуатацию к 2025 году. Реновация системы водоснабжения осуществляется ежегодно и реализуется по определенным участкам. Административные округа, выделенные цветом в таблице 1, вошли в охват исследования, таким образом, что три АО привязан к определенному (разному) источнику водоснабжения. Центральный АО был выбран как самый ранний по строительству трубопровода и наличию двух источников для забора воды.

3. Методика и результаты исследования

Изучение гидрохимических показателей водопроводной воды в АО осуществлялось при помощи приборов, тест систем и химических реактивов, представленных в таблице 2.

Таблица 2. Лабораторное оборудование

Порядок проведения химических анализов для всех, вышеперечисленных, элементов приблизительно одинаковый, поэтому рассмотрим общую методику проведения анализа:

1. Перед началом контроля содержания вещества необходимо предварительно определить значение pH анализируемой пробы, поскольку при pH выше 5 необходимо использовать дополнительный реагент. 11

2. Извлечь индикаторный элемент (индикаторную полоску) из защитного пакета.

3. Отрезать от индикаторной полоски рабочий участок размером около 5х5 мм (допускается заготавливать участки индикаторной полоски заранее, но не более чем за 1 час до анализа). 4. Не снимая полимерного покрытия, опустить его в анализируемую воду на 5-10 сек. И полностью смочить рабочую часть индикаторного элемента через его незащищенную полимерным покрытием боковую часть.

4. Через 3 минуты сравнить окраску смоченного рабочего участка с образцами цветной контрольной шкалы.

5. Определить значение концентрации, соответствующее ближайшему по окраске образцу цветной контрольной шкалы – это и будет результат анализа (при промежуточной окраске – за результат следует принять соответствующий интервал концентраций). Результат анализа получают в мг/л.

Осуществлялся отбор проб воды для химического анализа методом титрования.

Титриметрический анализ – метод количественного/массового анализа, основанный на измерении объёма раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом. Титриметрическим методом были определены следующие вещества в воде: хлориды, свободная щелочность и общая щелочность.

Например, метод экспресс-определения массовой концентрации карбонат-ионов основан на реакции взаимодействия хлорид-ионов:

CO₃^2- + H⁺ ⟷ HCO₃^-

В случае присутствия в анализируемой воде гидроксил-ионов при определении по фенолфталеину протекает реакция их нейтрализации:

OH^- + H⁺ ⟷ H₂O

Определение гидрокарбонат-ионов проводится в интервале значений водородного показателя рН свыше 4,5 и основано на реакции:

HCO₃^- + H⁺ ⟷ CO₂ + H₂O

Таким образом при титровании по фенолфталеину в реакции с кислотой ионы CO₃^2- переходят в HCO₃^-, а при титровании по смешанному индикатору в реакции участвуют как карбонаты, уже перешедшие в гидрокарбонаты, так и гидрокарбонаты, изначально присутствующие в пробе.

Порядок применения тест-комплексов, на примере титрования карбонат-ионов (определение свободной щелочности):

1. Ополоснуть мерную склянку несколько раз анализируемой водой. Поместить в склянку объем воды 10 мл, используя пипетку-капельницу, при необходимости разбавить анализируемую пробу дистиллированной водой.

2. Добавить 3-4 капли раствора фенолфталеина из флакона-капельницы, или использовать полимерную пипетку, затем раствор перемешать.

3. Отсутствие окрашивания раствора или наличие слабо-розового цвета указывает на отсутствие в пробе карбонат-ионов и гидрокарбонат-ионов.

4. При наличии выраженного розового окраса, необходимо постепенно титровать пробу на белом фоне с помощью градусной пипетки со шприцем-дозатором раствора соляной кислоты до обесцвечивания, и определить объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование по фенолфталеину (V_ф, мл.).

5. В процессе добавления раствора титранта – соляной кислоты, необходимо перемешивать пробу круговыми покачиваниями.

6. Рассчитать концентрацию карбонат-ионов (свободной щелочности) Щ_св в ммоль/л по формуле:

Щ_св = = V_ф 5

Где V_ф – объем раствора соляной кислоты, израсходованный на титрование по фенолфталеину в мл;

С – точная молярная концентрация раствора соляной кислоты (0,05 моль/л);

V_ПР – объем пробы воды, взятой для анализа (10 мл);

1000 – коэффициент пересчета единиц измерений из моль в ммоль.

Колориметрия— физический метод химического анализа, основанный на определении концентрации вещества по интенсивности окраски растворов (более точно — по поглощению света растворами). Колориметрия — это метод количественного определения содержания веществ в растворах, либо визуально, либо с помощью приборов, таких как колориметры.

В каждом исследуемом административном районе было отобрано по 5 проб горячей и холодной воды в разных кварталах. Время хранения отобранных проб водопроводной воды в прохладных условиях не превышало одних суток, по установленным нормативам. Далее на базе школьной лаборатории реализовывался химический анализ водопроводной воды, затем была сформирована итоговая таблица результатов (№3), с усредненными значениями по химическим показателям.

Полученные результаты были обработаны, по химическим показателям превышающих предельно допустимую концентрацию (ПДК) были построены графики (рис №№ 3, 4), отражающие уровень содержания в анализируемых пробах водопроводной воды. Нормы ПДК устанавливались, на основе ГН 2.1.5.1315-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

Таблица 3. Результаты химических исследований

Рис. 3. Графики концентрации меди, железа общего, аммония и аллюминия

Конентрация меди во всех исследуемых административны районах Москвы в горячей водопроводной воде превышает установленный норматив почтив 100 раз. Наименьшее содержание ионов вещества было зафиксировано в холодной воде отобранной в ЦАО и ВАО из реки Волга, концентрация превышена в 30 раз. Комплексные соединения хорошо растворимых в воде солей, содержащих медь, поступают из дерново-подзолистых почв из гумусового горизонта, расположенных в зонах смешанных и широколиственных лесов. В названных типах почв большой мощностью обладает гумусовый горизонт, содержащий ионы меди (около 70%). Происходит вынос растворенных масс элемента в поверхностные водотоки, и, возможно, не качественное очищение водных ресурсов, с дальнейшим попаданием в водопроводную систему.

Высокое содержание железа было зафиксировано в ЦАО, ВАО и Новой Москве в пробах с холодной водой, отобранной из Волги и артезианских вод. Самое высокое содержание железа было выявлено в холодной пробе водопроводной воды, превышающей ПДК в 100 раз. Путей поступления загрязняющего вещества в природные водотоки и водоемы несколько, путем вымывания из гумусового горизонта, аналогично комплексным соединениям меди, а также из водных акваторий со стоячим режимом – болотные воды, в которых железо находится в виде комплексов с солями гуминовых кислот, так называемое, органическое железо. Насыщенными железом являются и подземные воды в толщах юрских глин с возможными выходами водных линз на поверхность. В глинах много пирита FeS, и железо из него относительно легко переходит в воду. Бактериальное железо — продукт жизнедеятельности железобактерий (железо находится в их оболочке).

Превышение ПДК в 1-2,5 раза было зафиксировано у аммоний в горячих пробах водопроводной воды в ЦАО, ВАО и Новой Москве. Аммиак может попадать в водные объекты из-за, нарушений, связанных с процессами предварительной водообработки. Например, когда аммиак попадает за пару секунд до хлорирования в воду с целью обеспечения длительного обеззараживания.

Рис. 4. Графики концентрации карбонатов, хлоридов, нитратов и хроматов

В анализируемых пробах водопроводной воды из всех исследуемых АО было установлено превышение ПДК в 3-5 раза нитратов, наименьшее содержание элемента было выявлено в ВАО. Основными источниками «поставляющими» нитраты в водотоки являются сельскохозяйственные участки, комплексные соли просачиваются через почву и проникают в грунтовые и подземные воды, далее поступая в открытые водотоки. Устаревшие фильтры на очистных сооружениях могут не справляться с высоким содержанием нитратов в природных водах.

Во всех АО было зафиксировано превышение хроматов почти в 8 раз. Соединения, содержащие хром, могут поступать из почв, в процессе разложения организмов и растений в природные воды. Значительные количества могут поступать в водоемы со сточными водами гальванических цехов, красильных цехов текстильных предприятий, кожевенных заводов и предприятий химической промышленности.

Для более детального и качественного исследования и сравнения качества воды в реках, были отобраны пробы воды в верховьях водотока, перед местом забора воды. По итогам химического анализа были сформированы табличные материалы – таблица 4 и 5.

Таблица 4. Химические результаты исследований качества воды до водозабора и после Москвы реки

Перед водозабором в Истринском водохранилище в анализируемых пробах воды было зафиксировано превышенное содержание соединений: алюминия (превышает ПДК в 1,25 раз), железа общего (в 100 раз), нитритов (в 1,5 раза), нитратов (в 8 раз), меди (в 50 раз). По итогам очистки концентрация алюминия не изменилась, концентрация железа общего и нитритов были доведены до нормативных показателей. Концентрация нитратов была снижена в 1-1,5 раза, но не достигла параметров ПДК (превышение в 5 раз). Содержание меди в водопроводной воде увеличилось и превысило норматив в 100 раз.

Таблица 5. Химические результаты исследований качества воды до водозабора и после реки Волги

Перед водозабором в верховьях реки Волги, в анализируемых пробах воды было зафиксировано превышенное содержание соединений: алюминия (превышает ПДК в 1,25 раз), аммония (в 500 раз), нитритов (в 1,25 раза), нитратов (в 6,5 раз), меди (в 30 раз). В водопроводной воде было зафиксировано увеличение концентрации алюминия в 1-2 раза (от исходной – перед водосбором), аммония (в ряде проб) увеличилась в 1-1,5 раза и меди – в 3 раза. Концентрация нитратов в водопроводной воде была ниже установленного ПДК. Содержание нитратов сократилось в 1 раз, но не дошло до нормативных пределов.

4. Выводы

На основе проведенного исследования можно сделать вывод о том, что наиболее чистым источником, снабжающим городскую водопроводную систему, является река Москва, таким образом гипотеза работы опровергнута.

Различные химические вещества в виде комплексных соединений попадают в природные воды под воздействием, как природного, так и антропогенного факторов, вещества вступают в реакции, и продолжают мигрировать. Технические водные системы, предназначенные для очистки не способны к полноценному и многоступенчатому механизму о очистки водопроводной воды, что приводит к наличию загрязняющих веществ в селитебных зонах. Попадая в организм человека, происходит накопительный эффект, которой со временем может привести к серьезным последствиям.

Качество водопроводных труб может оказывать определенное воздействие на химический состав воды, по итогам лабораторных исследований было зафиксировано увеличение концентрации металлов в водопроводной воде, прошедшей определенный уровень очистки. Данное исследование показывает, что необходимо увеличить мониторинговые проверки водопроводов столицы, так как на это указывает не только меняющийся цвет воды – ржаво-медный, но и количественный химический анализ водопроводной воды и воды перед забором.

Гипотеза исследования: предположительно, воды из артезианских источников будут обладать наибольшим качеством в сравнении с водами из рек – была опровергнута. Наиболее чистым источникам водоснабжения столицы оказалась река Москва. В артезианские воды могут проникать различные соединения из геологических пластов, и накапливаться.

Список литературы

1. Торошечников М.С., Радионов А.И., Кельцев Н.В. [и др.] Техника защиты окружающей среды: учеб. пособие для вузов. М.: Химия, 1981. 368 с.

2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология: учебник. Ростов н/Д: Феникс, 2003. 320 с.

3. ГН 2.1.5.1315-03 Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: Профессиональные справочные системы «Техэсперт» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/901798042. – Дата обращения: 11.10.2022.

4. ГОСТ 31861-2012 Вода. Общие требования к отбору проб: Профессиональные справочные системы «Техэсперт» [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200097520. – Дата обращения: 17.10.2022.

5. Методы полевых исследований в гидрогеологии. Студенческие справочные материалы «Studwoord» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studwood.ru/1217206/geografiya/gidrologiya. – Дата обращения: 15.10.2022.

6. Методы полевых исследований в гидрогеологии. Студенческие справочные материалы «Studwoord» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://studwood.ru/1217206/geografiya/gidrologiya – Дата обращения: 01.11.2021.