самое большое богатство

Самое большое богатство на свете
Д.х.н. М.Г.Сафаров

«Вода, у тебя нет ни вкуса, ни цвета, ни запаха, тебя невозможно описать, тобою наслаждаются, не ведая, что ты такое! Нельзя сказать, что ты необходима для жизни: ты – сама жизнь. Ты наполняешь нас радостью, которую не объяснишь нашими чувствами… Ты самое большое богатство на свете…»
Антуан де Сент-Экзюпери

Самые высокие слова, какие можно сказать о воде, едва ли чрезмерны. Человек, как и все живое, в основном состоит из воды (эмбрион на 97%, новорожденный — 77%, взрослый человек — 60%) и без воды существовать не может. Потеря 6—8% воды вызывает плохое самочувствие, 10% — необратимые изменения в организме, а 15—20% — смерть. А между тем для поддержания жизнедеятельности организму нужно не так уж много: 2—2,5 литров в сутки. Хотя за всю жизнь и набегает около 75 тысяч литров, но это все равно только малая часть от того, сколько человек расходует на самом деле. По расчетам американских ученых, структура потребления выглядит так: питье и приготовление пищи – 5%; смывной бачок в туалете – 43%; ванна и душ – 34%; мытье посуды – 6%; стирка – 4%; уборка помещения – 3%; прочие нужды – 5%. Средние данные утверждают, что на хозяйственно-бытовые нужды человеку нужно примерно в десять раз больше воды, чем только для питья и приготовления пищи.
Центральным водоснабжением на Земле пользуются только 1,1 млрд. человек (280 л в сутки на человека), еще 0,8 млрд. берут воду из колонок (110 л в сутки), а остальная часть человечества использует только 50—60 л в сутки. Правду говорят, что развитие цивилизации можно измерять в литрах потребляемой на душу населения воды… А ведь помимо бытовых потребностей каждого человека, есть еще расход на нужды промышленности и сельского хозяйства. Если и это подсчитать, то, например, в США суммарное потребление воды достигает 7000 л на человека в сутки!
Однако мы оставим в стороне промышленные и сельскохозяйственные нужды и вернемся к тому, что потребляет человек. Требования к воде довольно жесткие (нормативные документы РФ 1996 года): «Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства». Органолептические свойства – это цвет, вкус, запах, мутность. Понятно, что природная вода (за редчайшим исключением) этим требованиям не отвечает. Поэтому специалисты затрачивают огромные усилия, чтобы сделать ее питьевой.
Как правило, природная вода содержит растворенные вещества, а также коллоидные частицы, взвешенные вещества и микроорганизмы.
Начнем с растворенных веществ. В воде растворены газы СО2, О2, Н2S, CH4, содержание которых зависит в основном от температуры, парциального давления и состава воды. В природной воде всегда есть неорганические соли: гидрокарбонаты, хлориды и сульфаты щелочноземельных (Ca, Mg, Mn, Fe) и щелочных (Na, K) металлов. Ионы кальция и магния определяют жесткость воды. При этом их гидрокарбонаты создают временную жесткость, которую можно удалить кипячением, а сульфаты, нитраты и хлориды ответственны за постоянную жесткость. С промышленными стоками в воду могут попадать также тяжелые металлы. Неорганические соли ( в основном железа и марганца) формируют вкус и цвет воды. На вкус и цвет влияют также органические соединения: почвенные и торфяные гумусовые вещества (гуминовые и ульминовые кислоты, фульвокислоты и их соли). Природные воды содержат и другие продукты метаболизма и разложения живых организмов: растительных (галловая кислота, танин, фенолы) и животных. Но конечно, самые опасные органические соединения попадают в воду со сточными водами промышленных предприятий.
Теперь о коллоидных частицах. Это мелкие загрязнения (меньше 0,1 мкм): частицы глин, соединения кремния, алюминия и железа, и опять же продукты жизнедеятельности и распада растений и животных. На поверхности коллоидных частиц сорбируются ионы растворенных веществ, после чего они приобретают электрический заряд. Заряженные частицы уже не слипаются в более крупные, а существуют неопределенно долго в виде устойчивого коллоидного раствора.
Взвешенные частицы, загрязняющие воду, гораздо крупнее коллоидных (более 1—5 мкм). Эти частицы могут быть минерального и органического происхождения: песок, глина, илистые вещества. Взвешенные вещества, в отличие от коллоидных, можно отфильтровать с помощью бумажного фильтра.
Наконец, в природной воде живет множество микро- и макроорганизмов животного и растительного происхождения: вирусы, бактерии, водоросли, планктон... Именно они определяют эпидемическую безопасность (или опасность) воды.
К сожалению, чаще всего воду берут из открытых водоемов или поверхностных вод (в РФ это 68% всей воды), которые грязнее, чем подземные. Понятно, что важнейшие факторы при выборе метода очистки – качество исходной воды и, конечно, экономические возможности. В России, как, впрочем, и во всем мире, из всех требований к качеству воды на первом месте – эпидемическая безопасность. Специалисты считают, что ради этого можно даже дополнительно загрязнять воду химическими веществами. Органолептические характеристики вроде на последнем месте, но тем не менее большинство стадий водоочистки направлены как раз на улучшение ее вида, вкуса и запаха – ведь именно по этим критериям человек судит о качестве воды, которую пьет. Хотя надо помнить, что даже прозрачная вода без посторонних привкусов и запахов может содержать диоксины, тяжелые металлы и ароматические углеводороды. В 1991 году в России примерно каждая десятая проба питьевой воды содержала опасные дозы химических веществ, каждая восьмая не отвечала требованиям по бактериологическим показателям, а почти 73% проб имели плохие органолептические показатели. В целом почти половина населения РФ пользовалась и пользуется питьевой водой, не соответствующей санитарно-гигиеническим требованиям.

Немного химии
Основные стадии очистки воды – это осветление и обесцвечивание, а потом обеззараживание. На первых двух стадиях из воды убирают взвешенные и коллоидные частицы. Но если от первых легко избавиться, отстояв воду, а потом ее отфильтровав, то коллоидные частицы всячески сопротивляются коагуляции (укрупнению, после которого их было бы легко осадить). Известно довольно много способов нарушения устойчивого состояния коллоида: перемешивание и нагревание, ультрафиолетовое облучение и ионизирующее излучение, ультразвук, воздействие электрическим и магнитным полем. Однако на практике заряд частиц снимают с помощью электролитов (их называют коагулянтами).
Очистку воды коагулянтами начали применять в Европе с XIX века, хотя считается, что этот метод был известен еще древним римлянам, египтянам и грекам. К очистке воды внесением в нее химического вещества сначала относились с подозрением. Барон А.И.Дельвиг, автор первого в России руководства по устройству водопроводов и заведующий московским водопроводом, отмечал: «Нельзя не осуждать всякого очищения, которое вводит в химический состав воды новое вещество, прежде в ней не заключающееся».
Самыми подходящими коагулянтами оказались соли многовалентных металлов (коагулирующая способность возрастает с валентностью): соли алюминия (алюминат натрия, оксихлорид алюминия, аммиачные и алюмокалиевые квасцы) и соли железа (хлорид железа, железный купорос, сульфат железа). Чаще всего используют сульфат алюминия. Когда его добавляют в природную воду, он реагирует с солями кальция и магния и превращается в гидрат:
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 + 6H2O = 2 Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6 H2CO3.
Образующийся гидрат алюминия существует в виде мицеллы с двойным электрическим слоем, которая может быть и положительно, и отрицательно заряжена: это зависит от кислотности среды. В кислой среде оксигидрат заряжен положительно, а потому сорбирует коллоидные частицы противоположного знака и коагулирует вместе с ними. Вода при этом обесцвечивается, так как именно окрашенные гуминовые частицы заряжены отрицательно.
Если сделать среду щелочной (рН больше 7), то оксигидрат алюминия становится отрицательно заряженным и сам сорбируется положительно заряженными коллоидными частицами. При этом образуются хлопья-агрегаты, которые, обладая большой поверхностью, в свою очередь приобретают способность адсорбировать из воды растворенные и диспергированные загрязнения. Надо отметить, что хлопья состоят в основном из воды, а твердого вещества в них – всего десятые доли процента. «Созревшие» хлопья отстаивают и фильтруют.
Очистку природной воды коагуляцией применяют очень широко, и не удивительно, что этот процесс все время совершенствуют. Например, добавляют флокулянты (полиакриламид, активная кремниевая кислота, крахмал…). В их присутствии хлопья получаются более крупные и осаждаются быстрее. Иногда используют электрокоагуляцию. В этом случае воду очищают в электролизере, в котором анод – алюминий или железо, а катод – любой электропроводящий материал. При подаче напряжения происходит химическая коррозия алюминия и его растворение, в результате чего опять же образуется гидроокись алюминия:
Al - 3e —— Al3+,
Al3+ + 3OH— ——- Al(OH)3.
При электрокоагуляции в воду не попадают дополнительно ионы SO42- или Cl— и воду удается избавить не только от коллоидных частиц, но и от растворенных газов, фенолов и радиоактивных соединений.
Конечно, у коагуляции есть и недостатки: неполнота очистки и даже ухудшение качества воды по некоторым параметрам. Кроме того, образуется много осадка, который надо как-то использовать.Только в Москве каждые сутки используют 150 т коагулянта и получают более 1000 м3 осадка. В принципе, его после уплотнения можно использовать в производстве строительных материалов и для регенерации коагулянта, но все равно это большая проблема.
Итак, мы получили чистую на вид воду. Но там, невидимые для глаз, могут отлично себя чувствовать возбудители дизентерии, брюшного тифа или холеры. Еще совсем недавно о степени загрязнения воды патогенными микробами судили по количеству бактерий кишечной палочки в определенном объеме воды (находили коли-индекс — количество бактерий в 1 л воды или коли-титр — объем воды, в котором содержится одна кишечная палочка). Это достаточно удобный показатель, но сейчас этого уже недостаточно, поэтому с 1996 года контролируют содержание не только E.coli (что позволяет судить о свежем фекальном загрязнении), но и колифагов (наличие энтеровирусов).
Убить бактерии можно многими способами: добавить окислители (хлор и его соединения, озон, перманганат калия и другие), подействовать ультрафиолетовым и ионизирующим излучениями, подогреть, обработать ионами тяжелых металлов. Самой простой и экономичный способ – обеззараживание хлором и его соединениями. Впервые такую дезинфекцию осуществил А.Таубе в 1894 году в Германии. С тех пор метод распространился по всему миру.
При соприкосновении с водой хлор гидролизуется по уравнениям:
Cl2 + H2O — HCl + HClO,
HClO — H+ + ClO—.
В нейтральной среде и при комнатных температурах первая реакция протекает быстрее, то есть дезинфекция в основном происходит хлорноватистой кислотой.
Считают, что хлор проникает через оболочку клетки микроорганизма и взаимодействует с ферментами. Это нарушает метаболизм, и микроб погибает. Обычно для обеззараживания поверхностных источников применяют 2—3 мг хлора в 1 литре воды (для подземных всего 0,7—1 мг/л) и процесс длится от 30 минут до 2 часов. В любом случае остаточного хлора в воде не должно быть больше 0,3—0,5 мг/л.
Хлор действительно технологичен и экономичен, но не идеален (см. табл. 1). Загрязнение природных вод растет, а хлор эффективен против бактерий, но не справляется с вирусами и возбудителями паразитарных заболеваний (лямблиями и криптоспорами). Кроме того, хлор реагирует с органическими соединениями, которые могут быть в воде, причем получаются высокотоксичные продукты. И наконец, есть предположение, что из 100 случаев заболевания раком от 20 до 35 связано с использованием хлорированной питьевой воды.
Более эффективный и безопасный заменитель хлора – озон. Бактерицидные свойства озона установил французский ученый Д.Меритенс еще в 1886 году. Первое крупномасштабное обеззараживание озоном провели в Петербурге в 1911 году. Из-за сложности и дороговизны метод не нашел широкого применения. Однако в последние годы ситуация и оценки изменились, и теперь озонирование считают одним из самых перспективных направлений.
Озон в воде распадается до молекулярного кислорода. Реакция эта цепная, радикальная, поэтому получается много промежуточных радикалов: HO, HO2, HO3, HO4 и анион-радикалы O, O2, O3. Эти радикалы взаимодействуют с микроорганизмами и вызывают их гибель. Чем выше концентрация озона, рН среды, температура и чем меньше в воде органических примесей, тем эффективнее озон обеззараживает воду. Его рекомендуемая концентрация 0,75—3 мг/л, время реакции – 5 мин. Озон уничтожает патогенные микроорганизмы в 15—20 раз быстрее, чем хлор, а споры — в 300—600 раз быстрее. Кроме того, озон дезодорирует воду и обесцвечивает ее, поскольку окисляет многие органические загрязнители. Только не пытайтесь очистить воду озоном дома! Помните, что токсичен не только сам озон, но и продукты окисления им органических соединений. После окисления озоном из органических примесей получаются спирты, карбонильные соединения, карбоновые кислоты и другие вещества, токсичность которых часто выше, чем у исходных загрязнений. Поэтому после обработки озоном воду обязательно фильтруют с использованием сорбентов.
Что же мы имеем на данный момент? Наиболее распространенные схемы водоочистки (в том числе в России) уже не обеспечивают необходимое качество питьевой воды. Всемирная организация здравоохранения рекомендует охранять источники водоснабжения от загрязнения и считает, что это «первая линия защиты». Однако в ближайшем будущем природные воды едва ли станут настолько чистыми, что из них удастся получить питьевую воду высокого качества традиционными методами. Поэтому надо совершенствовать старые и вводить новые методы очистки и обеззараживания воды. А также пить воду из бутылок и пользоваться бытовыми фильтрами.