Необходимость дополнительной очистки водопроводной воды в городских условиях

XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Необходимость дополнительной очистки водопроводной воды в городских условиях

Коваленко Я.А. 1
1МАОУ "Лицей №97 г.Челябинска"
Белова Т.В. 1
1МАОУ «Лицей № 97 г. Челябинска»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Вода - уникальное вещество: она окружает нас повсюду, не имеет вкуса, цвета и запаха. И мы настолько привыкли к ней, что вспоминаем о ней только тогда, когда ее нет рядом.

Вода человеку необходима на протяжении всей его жизни: для утоления жажды, приготовления пищи, умывания, купания и много другого. Одним жителем планеты за год потребляется примерно от 30 до 60 тонн воды только во время еды. А для пополнения внутренних водных запасов человеку нужно ежедневно выпивать от 1,5 до 2 литров чистой, фильтрованной, не газированной воды [4]. Ключевое слово - чистой, т.к. грязная вода грозит человеку многими болезнями, например, холера, дизентерия, тиф или различные пищевые расстройства. Но как понять, что вода в моем стакане действительно чистая?

Поэтому целью работы стало изучить, насколько эффективна система очистки воды в системе центрального водоснабжения, требуется ли дополнительно фильтровать воду для питья и проверить рекомендации производителей фильтров о соблюдении скорости фильтрации. Объектом исследования стала водопроводная вода из крана и вода после дополнительной фильтрации через фильтр.

Для достижения цели предстоит решить следующие задачи:

  1. изучить историю возникновения водопровода в г. Челябинск;

  2. изучить способы централизованной очистки воды;

  3. провести анализ данных из открытых источников о качестве водопроводной воды;

  4. провести самостоятельный сравнительный анализ разных проб воды с помощью нескольких тест-систем.

В качестве методов для достижения поставленной цели мы использовали изучение материалов в сети Интернет и литературных источников, анализ полученной информации, проведение тестовых испытаний.

  1. История появления водопровода в г. Челябинске

Раньше люди были вынуждены брать воду самостоятельно из реки, озер, копать колодцы, пользоваться услугами водовозов (они привозили воду в больших бочках и продавали ее всем желающим). В основном, воду брали из двух рек: Миасс и Игуменка.

Не так давно можно было услышать от старожилов, что уже в начале века вода из Миасса стала терять свой прежний вкус и чистоту. И это неудивительно, т.к. мусор и грязный снег в большинстве случаев сбрасывали прямо в реку. А т.к. Челябинск быстро разрастался, ему явно стало не хватать той воды, которую привозили водовозы.

В итоге в 1911 г. было принято решение строить водопровод. И всего за полгода - к 4 февраля 1912 года - был введен в эксплуатацию водопровод г. Челябинска. Изначально водозабор состоял всего из трех водозаборных будок, которые давали 50 тысяч ведер воды в сутки. «Сердцем» его была насосная станция с двумя дизельными двигателями. Для очистки воды стояли мощные фильтры. Сама же отфильтрованная вода поступала в специальный бассейн. Дальше вода текла по трубам, общая длина которых составляла 20 километров. Частью водопровода были колодцы, водоразборные будки и домовые отводы [3].

С течением времени водопроводная сеть разрасталась и сегодня она включает в себя уже более 3 000 километров сетей и 407 насосных станций. А единственным источником воды для системы централизованного водохранилище стало “Челябинское море” - Шершневское водохранилище.

Сегодня потребности нашего города в воде круглосуточно обеспечивает Производственное объединение водоснабжения и водоотведения. Вода из водохранилища поступает на очистные сооружения, где не только проходит очистку, но и обеззараживается, после чего поступает в краны челябинцев. В сутки в квартиры горожан поступает более 500 миллионов литров воды [7].

  1. Очистка воды в централизованной системе водоснабжения.

Вся вода, которая поступает в наши дома (не важно, жилой это дом, офисное здание, магазин или завод) проходит несколько ступеней контроля и очистки. Все это происходит в специальных местах - очистных сооружениях. Очистные сооружения челябинского водопровода включают в себя пять блоков. На блоках используется двухступенчатая схема: когда вода сначала проходит отстойник, в котором оседает наиболее тяжелый мусор, а потом дополнительно проходит через скорые фильтры, которые удаляют более мелкие загрязняющие частицы. Дальше воду обеззараживают специальными химическими веществами - реагентами, после чего подают в специальные накопители для питьевой воды. И уже оттуда вода по трубам централизованного водоснабжения попадает в наши дома [6].

Чтобы гарантировать качество водопроводной воды, МУП ПОВВ ежедневно берет пробы питьевой воды и проводит их тщательный анализ. Оценка проводится по нескольким основным показателям, все они сравниваются с нормативами, установленными законом. Например, за период с 20.09.2023 г. по 26.09.2023 г были получены следующие данные:

Таблица 1. Данные результатов измерения качества питьевой воды от МУП ПОВВ [5].

Показатель

Единица измерения

Полученные значения

Норматив

Цветность

градусы цветности

4,2

20

Мутность

ЕМФ

1,1

2,6

Запах

балл

1

2

Привкус

балл

0

2

Хлор остаточный связанный

мг/м3

0,8

0,8 - 1,2

Хлор остаточный свободный

мг/дм3

0,3

0,3 - 0,5

Жесткость общая

Ж

3,4

7,0

Железо общее

мг/дм3

0,1

0,3

Как мы видим, все результаты показывают, что вода соответствует требуемым нормам. Но эти пробы берутся в накопителях питьевой воды, а как мы выяснили, после них вода должна проделать еще долгий путь через систему труб и насосных станций, чтобы политься из нашего крана. А эти трубы могут быть уже старые и ржавые, изношенные, на них могут быть прорывы. Протекая по таким трубам, вода снова может загрязниться частичками ржавчины, песка и земли, а иногда и вредными бактериями.

  1. Проведение исследования воды в домашних условиях.

Конечно, провести полноценное лабораторное исследование в домашних условиях нельзя. Поэтому было принято решение приобрести готовые тестовые системы анализа воды. При выборе готовых систем мы ориентировались на следующие условия:

  1. доступность для использования в домашних условиях;

  2. достаточная точность измерения – небольшая погрешность в данных;

  3. время, затрачиваемое на проведение анализа, должно быть минимальным;

  4. наличие положительных отзывов по использованию системы.

В итоге, проведя оценку и отбор по вышеприведенным критериям, мы остановили свой выбор на следующих готовых тест-системах:

  1. солемер TDS, определяющий общее количество растворенных в воде частиц в количественных показателях;

  2. капельная тест-система Ecvols для определения жесткости воды (тестирование с использованием специального вещества - титранта);

  3. электролизер (переводит растворенные в воде вещества из невидимой фазы в видимую). С помощью процесса электролиза (пропускание электрического тока через воду) на электродах (металлические стержни из железа и алюминия) начнут осаждаться растворенные в воде вещества..

Для всех тестов мы взяли три образца воды:

  1. вода из-под крана без предварительной очистки (образец №1);

  2. вода, пропущенная через систему фильтра очистки с тремя картриджами - осуществляет механическую фильтрацию (удаление из воды нерастворимых частиц), сорбционную очистку (удаление хлора, органических примесей, тяжелых металлов), ионообменная очистка

    1. со скоростью 200 мл за 25 секунд (0,48 литра в минуту) (образец №2);

    2. со скоростью 200 мл за 3 секунды (4,02 литра в минуту) (образец №3).

Каждая проба воды была подписана соответствующим номером. Для исследования мы отобрали все образцы в один момент времени, объем каждого образца составил 200 мл, одинаковой температуры - 22 градусов Цельсия.

Первым опытом мы определили количественные показатели всех растворенных солей в воде с помощью солемера, результаты представлены в таблице 2. Важно помнить, что данный прибор определяет общее количество всех растворенных в воде частиц на один миллион частиц воды. При этом нормативами являются:

  1. Опасные показатели для жизни - свыше 500 ppm

  2. Предельная норма частиц для водопроводной воды - 300 ppm [2].

Таблица 2. Результаты тестирования проб воды с помощью солемера TDS.

Наименование пробы

Результат, ppm

Результат, Ж

Проба 1. Вода из крана неочищенная (рис. 1)

288

5,76

Проба 2. Вода фильтрованная со скоростью 0,48 л/мин (рис.2)

288

5,76

Проба 3. Вода, фильтрованная со скоростью 4,02 л/мин (рис.3)

279

5,58

Рис. 1. Измерение солей в пробе №1.

Рис. 2. Измерение солей в пробе №2

Рис. 3. Измерение солей в пробе № 3.

Результаты первого опыта завели нас в тупик: да, количество солей в воде, пропущенной через фильтр с большой скоростью, меньше, чем в воде из-под крана, но почему при более тщательной фильтрации воды с меньшей скоростью показатели снова выросли до исходных значений? Хотя по внешнему виду и по вкусовым качествам такая вода заметно лучше.

Вторым исследованием стало определение общей жесткости воды с помощью капельной тест-системы Ecvols. Согласно инструкции мы отобрали по 10 мл каждого образца воды, смешали с 10 каплями буферного раствора, добавили 4 капли индикатора. В итоге каждая проба приобрела насыщенный вишнево-красный цвет. Далее стали по одной капле добавлять титрант. Окончанием анализа послужил момент перехода окраски раствора в голубой цвет. Результаты опыта представлены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты опыта по определению жесткости воды с помощью тест-системы Ecvols.

Наименование пробы

Количество капель

Жесткость, Ж

Проба №1. Вода из крана неочищенная (рис. 4)

11 капель (рис. 5)

5,5

Проба №2. Вода, фильтрованная со скоростью 0,48 л/мин (рис. 6)

11 капель (рис. 7)

5,5

Проба №3. Вода, фильтрованная со скоростью 4,02 л/мин (рис.8)

9 капель (рис. 9)

4,5

Рис. 4. Подготовленная для тестирования проба №1.

Рис. 5. Результат добавления 11 капель титранта в пробу №1.

 

Рис. 6. Подготовленная для тестирования проба №2

Рис. 7. Результат добавления 11 капель титранта в пробу №2

Рис. 8. Подготовленная для тестирования проба №3

Рис. 9. Результат добавления 9 капель титранта в пробу №3

Второй тест также показал, что большая скорость очистки воды дает лучшие показатели, чем более медленная фильтрация. Хотя изначально мы предполагали противоположные результаты.

Изучение данного вопроса в сети Интернет позволило пролить свет на результаты наших экспериментов. Оказывается, наличие в фильтре специального ионообменного картриджа приводит к замещению жестких солей на мягкие (такой картридж «высасывает» из воды магний и кальций и насыщает воду натрием). Следовательно, общее количество солей останется практически неизменным [8].

Таким образом, с помощью данных тест-систем мы можем определить только общее количество растворенных солей либо жесткости воды. А значит, в фильтрованной с меньшей скоростью воде могло появиться меньше вредных солей, но больше солей натрия. Чтобы точно определить состав солей нужен лабораторный анализ. А можно ли без лабораторного исследования проверить эту ситуацию? Оказывается, можно.

Мы решили провести электролиз проб воды. С помощью электричества, пропускаемого через специальные металлические стержни - электроды - мы сможем увидеть растворенные соли (они выпадут в осадок) [9]. Вода поменяет свой цвет, при этом каждый цвет обозначает различные примеси:

  1. красный или оранжевый цвет - железо, ржавчина, бактерии;

  2. зеленый - мышьяк, ртуть, медь, натрий;

  3. синий - бактерии, вирусы, пестициды, химические удобрения.

В результате электролиза в образце воды из-под крана вода приобрела ярко-выраженный красный цвет, а образец фильтрованной с низкой скоростью воды окрасился в зеленый цвет. Это говорит о том, что в первом образце содержится больше солей железа, а во втором - натрия (рис.10и рис. 11).

Рис. 10. Начало процесса электролиза между пробами №1 и №2

Рис. 11. Завершение процесса электролиза между пробами №1 и №2

В процессе электролиза образцов с водой, отфильтрованной с большой скоростью, и водой с низкой скоростью фильтрации также показало отличие в содержащихся солях: проба №3 также выдала четкий красный цвет с небольшой примесью зеленого, в пробе №2 по-прежнему преобладающим остался зеленый цвет (рис.12 и рис.13).

Рис. 12. Начало процесса электролиза между пробами №3 и №2

Рис. 13. Завершение процесса электролиза между пробами №3 и №2

Данный эксперимент подтвердил наше предположение о влиянии ионнобменного картриджа на итоговый состав фильтрованной воды.

  1. Заключение.

В ходе своей работы мы поняли, что проверка качества воды в домашних условиях на самом деле очень непростая задача, как бы не уверяли в обратном производители разных тестов для воды или производители специальных приборов. Получить точные результаты можно только в специализированных лабораториях.

Но опыты, проведенные в ходе работы, позволяют нам сделать следующий вывод: несмотря на то, что изначально в водопровод поступает качественная вода, на самом деле пить ее без дополнительной очистки или обработки нежелательно. Связано это с состоянием водопроводных систем.

Также, важно обращать внимание на рекомендации производителей фильтров: качественная очистка возможна только при соблюдении всех условий эксплуатации и при определенной скорости фильтрации. При использовании бытовых систем фильтрации очень важно выставить скорость прохождения воды через фильтр не выше указанной в инструкции (в нашем примере обычная скорость подачи из водопровода в полтора раза превышает ограничение производителя). Да, при снижении скорости подачи воды вода будет набираться медленнее, но ее состав станет гораздо лучше первоначального.

Важно также не забывать, что пить полностью очищенную воду (дистиллированную) вредно для здоровья: при долгом употреблении она начинает вымывать полезные соли и минералы из нашего организма (начинают разрушаться кости и зубы, нарушается калиево-магниевый баланс и т.п.). Поэтому стремится получить воду совсем без солей не стоит [1].

И еще одним выводом нашей работы можно считать следующее: тест-системы для контроля свойств воды в домашних условиях не эффективны, т.к. показывают не детализированные результаты, а только общие цифры. А за результатами могут скрываться не только вредные примеси, но и полезные соли и минералы. Поэтому в деле очистки воды главное - не увлекаться и соблюдать золотую середину.

  1. Список использованной литературы.

        1. Бузин, И. МГУЛАБ – Испытательный центр / И. Бузин // «Чистая pO – пить или не пить».- URL:https://www.msulab.ru/knowledge/water/chistaya-po-pit-ili-ne-pit/ (дата обращения 02.09.2023).

        2. ГОСТ Р 70152 2022 «Качество воды. Методы внутреннего лабораторного контроля качества проведения микробиологических и паразитологических исследований»: дата введения 2023-01-01/ Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. - Изд. Официальное. - Москва: Стандартиформ, 2023. - 60 с.

        3. Готика воды. - URL: https://up74.ru/articles/obshchestvo/91835/(дата обращения04.09.2023).

        4. Моя первая энциклопедия/ Гальперштейн Л.Я. - Москва : РОСМЭН, 2019. - 255 с. : ил. - ISBN 978-5-353-00037-2.

        5. МУП ПОВВ. Данные результатов измерений и исследований проб питьевой воды по г. Челябинску, г. Коркино и п. Роза на основании ежедневного мониторинга за период С 20.09.2023 по 26.09.2023. МУП ПОВВ. - URL: https://voda.uu.ru/kachestvo-vody.php (дата обращения 30.09.2023).

        6. МУП ПОВВ: откуда в нашем доме вода. - URL: https://youtu.be/SgaQ8s05eDU(дата обращения 04.09.2023).

        7. О компании. - URL: https://voda.uu.ru/about/ (дата обращения 04.09.2023).

        8. Почему TDS метр показывает ppm умягченной воды выше исходной? - URL: https://ochistkavodi.ru/baza-znanij/ekspluataciya-sistem-vodoochistki/pochemu-tds-metr-pokazyvaet-ppm-umyagchennoj-vody-vyshe-isxodnoj.html (дата обращения 01.10.2023).

        9. Электролиз. - URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D0%B7 (дата обращения 02.10.2023).

Просмотров работы: 12