Вода: история, виды и современные методы очистки

---

История

Вода (H₂O) — незаменимый растворитель, обеспечивающий жизнь большинству растений и животных на Земле. В чистейшем виде она безвкусна, безапашна и прозрачна, приобретая слабый голубоватый оттенок в больших объемах. Благодаря способности растворять широкий спектр минералов и химикатов, большинство природных вод содержит растворенные соли, органические вещества и иногда бактерии. Водоснабжение городов проходит очистку для удаления вредных примесей; премиальная бутилированная вода может подвергаться дополнительной очистке, приближаясь к абсолютной чистоте. Английское слово water происходит от немецкого wasser, восходящего к древнеиндоевропейскому корню, означающему «увлажнять» или «мыть».

Контролируемое использование воды восходит как минимум к 8000 г. до н.э., когда египетские и азиатские фермеры накапливали паводковые воды для орошения. Первые оросительные каналы появились около 2000 г. до н.э. в Египте и Перу, а к 1000 г. до н.э. йорданский город Кархо построил акведуки — самые ранние документированные муниципальные водоснабжения. Ранние методы очистки были удивительно совершенными. Древние санскритские тексты рекомендовали хранить воду в медных сосудах, подвергать воздействию солнечного света и фильтровать через древесный уголь. Египетские надписи советуют похожие практики. Гиппократ (≈ 400 г. до н.э.) пропагандировал кипячение и фильтрацию через ткань. Тем не менее, неочищенная речная и колодецная вода оставалась нормой до тех пор, пока загрязнение не стало кризисом общественного здравоохранения в XIX веке.

Быстрая индустриализация и рост населения превратили реки в открытые гнойники, вызвав вспышки холеры, тифа и других водных инфекций. В 1800 году Уильям Крукшенк доказал, что малые дозы хлора убивают водные микробы. К 1890-м годам песоковая фильтрация заметно снизила заболеваемость. Общественное давление заставило города США к началу 1900-х годов внедрять системы водоочистки. Несмотря на эти достижения, промышленные загрязнители — свинец, мышьяк, пестициды — продолжали угрожать качеству воды, что привело к принятию Закона о контроле загрязнения вод 1948 года — первого комплексного федерального регулирования. Последующее законодательство кульминатировало в стандартах качества воды EPA, а многие штаты вводят даже более строгие правила.

Виды воды

Чистая вода встречается редко; большинство природных вод содержат растворенные минералы, соли и взвешенные частицы. Классификация зависит от уровня примесей.

Водопроводная вода проходит дезинфекцию, удаление осадка и устранение запахов. Дополнительные химикаты могут добавляться для улучшения качества воды.

Жесткая вода содержит высокий уровень солей кальция и магния, вызывающих мыльный налет. Она подразделяется на временно жесткую — содержащую бикарбонаты, образующие накипь при нагревании, и постоянно жесткую — содержащую сульфаты, хлориды или нитраты, которые остаются стабильными. Мягкая вода имеет низкое содержание кальция/магния, но «размягченная вода» относится к жесткой воде, из которой соли удалены химическим путем, часто с образованием высокого содержания хлорида натрия.

Минеральная вода, богатая растворенными минералами, делится на пять основных категорий: соленая, щелочная, железистая, сероводородная и питьевая. Соленая вода имеет высокое содержание сульфата или хлорида натрия или магния; щелочная вода имеет pH 7,2–9,5; железистая вода богата железом; сероводородная содержит сернистые соединения и характерный запах гнилых яиц; питьевая вода содержит <500 ppm минералов и обычно бутилируется как специальная питьевая вода.

Углекислотная, газированная и минеральная газированная вода содержат растворенный CO₂, либо естественный из известняковых пластов, либо внедренный искусственно под давлением.

Ключевая и артезианская воды отличаются естественным выходом на поверхность без бурения или насоса, но в остальном обладают теми же свойствами, что и другие источники воды.

Дистиллированная вода получается путем испарения и конденсации, удаляя большинство примесей; деионизированная (деминерализованная) вода использует ионообмен для удаления катионов и анионов; очищенная вода сочетает фильтрацию, дистилляцию, деионизацию, обратный осмос и УФ-стерилизацию для устранения практически всех минералов и химикатов.

Сырье

Молекулы воды состоят из двух атомов водорода, связанных с одним атомом кислорода (H₂O). Помимо H₂O, вода обычно содержит широкий спектр органических и неорганических материалов.

Муниципальная очистка может вводить дезинфектанты (хлор, хлорамин, озон), коагулянты (сульфат алюминия, хлорид железа, органические полимеры), нейтрализаторы кислотности (каустическая сода, известь) и фториды для здоровья зубов.

Процесс очистки

Очистка воды варьируется в зависимости от предполагаемого использования. Вода для орошения может быть неочищенной, в то время как фармацевтическая вода проходит экстремальную очистку.

Ниже приведена типичная последовательность для муниципальной воды, предназначенной для домов и предприятий.

Забор воды

• 1 Большинство муниципальных источников происходят из грунтовых и поверхностных вод. Грунтовые воды добывают бурением скважин в водоносных горизонтах или через естественные родники. Поверхностные воды забирают путем заграждения рек плотинами. Окружающая водосборная площадь называется водосборным бассейном; доступ к ней часто регулируется для предотвращения загрязнения стоками.
• 2 Вода поступает из скважин или плотин на очистные сооружения через открытые каналы или закрытые трубы. В некоторых случаях вода преодолевает сотни километров и накапливается в промежуточных водохранилищах для обеспечения непрерывного снабжения.

Дезинфекция

• 3 Некоторые заводы начинают очистку с камер озонного контакта — метод распространен в Европе, но редок в США. Озон (O₃) генерируется пропусканием сжатого воздуха через высоковольтовую дугу, расщепляя молекулы O₂. Озон эффективно убивает микробы и разрушает соединения, вызывающие запах, но имеет короткий срок жизни; поэтому позже добавляется малая доза хлора или хлорамина для остаточной дезинфекции.

Коагуляция/флокуляция

• 4 Коагулянты быстро смешивают с водой в быстром микшере, нейтрализуя заряды на взвешенных частицах и заставляя их слипаться.
• 5 Затем вода медленно проходит через мягкие микшеры, где формируются флокулы — более крупные агрегаты — и осаждаются.

Отстой

• 6 Смесь поступает в отстойник или бассейн, где флокулы оседают на дно. Некоторые бассейны имеют две стадии для увеличения пропускной способности. Осевшие твердые частицы откачивают в накопительный бассейн, затем разжижают в гравитационном угустителе и прессуют для извлечения воды. Оставшиеся твердые отходы увозят на полигоны.

Фильтрация

• 7 Частично проясненная вода проходит через слои песка и дробленого угля, улавливая мелкие частицы и некоторые организмы, особенно на заводах, не использующих озон.

Адсорбция

• 8 Некоторые заводы используют слои активированного угля; загрязнители адсорбируются на поверхности угля.

Аэрация

• 9 В регионах с высоким содержанием железа, марганца или растворенных газов воду распыляют в воздухе из больших бассейнов для аэрации. Накисление вызывает выпадение или испарение некоторых загрязнителей.

Фторирование

• 10 Фториды добавляют для борьбы с кариесом. Естественный фтор может присутствовать, поэтому дополнительная дозировка опциональна. Фторирование остается спорной темой, и не все муниципалитеты его применяют.

Нейтрализация

• 11 Для снижения коррозии труб химикатами регулируют pH до нейтрального уровня.

Распределение

• 12 При выходе с завода воде добавляют остаточную дозу хлора или хлорамина для уничтожения любых микроорганизмов, попавших в систему распределения. Если озон не использовался изначально, применяется более высокая остаточная доза.
• 13 Затем воду хранят в закрытых баках или водохранилищах — часто на возвышенностях — для защиты от загрязнения и поддержания давления. В других районах используют наземные баки с электрическими насосами для обеспечения достаточного напора.

Контроль качества

Федеральные и штатные стандарты устанавливают предельные уровни для более чем 90 органических, неорганических, микробиологических и радиоактивных веществ. Первичные стандарты защищают здоровье людей; вторичные касаются эстетических атрибутов: вкуса, запаха и внешнего вида. Типичный водоканал может проводить >50 000 анализов в год для проверки соответствия.

Будущее

Общественный спрос на безопасную питьевую воду будет стимулировать все более строгие стандарты. Современная проблема — образование тригалометанов (ТГМ) при реакции хлора с органическим веществом. ТГМ несут риск рака 1 к 10 000 при длительном воздействии. Хлорамин — смесь аммиака и хлора — образует меньше ТГМ и теперь предпочтителен многими заводами. Другие альтернативы включают озон, УФ-излучение, диоксид хлора и перксон (озон-пероксид водорода). Непрерывные инновации будут балансировать между эффективностью дезинфекции и безопасностью потребителей.