Общая минерализация сточной, природной и питьевой воды: нормы, измерение, определение по формуле

Вода, текущая из крана в квартире, и вода из природных водоемов содержит растворенные соли. Минералы обнаруживаются в капле дождя и в скважинах, в сточных заводских водах и в ливневой канализации. Состав минеральных солей в природной воде, а также их количество зависит от геологических особенностей региона, но чаще всего в воде обнаруживаются неорганические соли – хлориды и сульфаты кальция, магния, калия и натрия, бикарбонаты.

Природные и сточные воды

Минеральное наполнение природных вод очень разное. Есть пресные воды с минерализацией менее 1 г/дм³ и рассолы с концентрацией солей более 50 г/дм³.

Атмосферные осадки слабоминерализованны, общая минерализация дождя и снега колеблется в пределах от 10 до 30 мг/дм³. Зимой солей в осадках больше, чем в летние месяцы. Снежинка благодаря своей структуре способна захватить из воздуха большее количество примесей. В тундре и над тайгой осадки чище, так как атмосфера не загрязнена, а над пыльными пустынями и степями минерализация осадков резко возрастает. На побережьях дождь содержит больше хлоридов, чем в глубине континента, где преобладают сульфаты в виде диоксида серы.

В природных водах превалируют катионы Mg²⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺ и анионы HCO^3-, SO₄^2-, Cl^—. По главному аниону воды подразделяют на три класса – гидрокарбонатный, хлоридный, сульфатный.

По преобладающему катиону определяется группа вод:

• магниевая;
• натриевая;
• кальциевая.

Природные воды различного происхождения обычно имеют различный солевой состав и относятся соответственно к разным классам и группам.

Наименование вод	Класс	Группа
подземные	сульфатный	магниевая
речные	гидрокарбонатный	кальциевая
морские, океанические	хлоридный	натриевая

Свой негативный вклад в изменение минерализации природных вод вносят промышленные сточные воды, а также городские «ливневки». Резко возрастает приток солей в реки ранней весной, когда тает снег, смешанный с противогололедным реагентом. В стоках с улиц городов показатель минерализации колеблется от 400 до 800 мг/дм³.

Общая минерализация многих производственных сточных вод достигает 1000-3000 мг/дм³. Высокоминерализованные сточные воды промышленных производств (ВМСВ) признаются экологами одним из самых распространенных и опасных загрязняющих факторов. В производственных стоках ТЭЦ, горнодобывающей промышленности, гальванических производств присутствуют высокие концентрации солей натрия, магния и кальция. Для очистки заводских сточных вод, насыщенных солями в самых причудливых сочетаниях, рационально использовать комплексную технологию глубокого обессоливания на базе двухступенчатого обратного осмоса.

Общая минерализация воды

Что это – общее солесодержание?

Под общим солесодержанием или минерализацией понимают количество находящихся в воде растворенных веществ, часть которых представлена хлоридами, сульфатами, бикарбонатами, а часть – органикой. Растворенные в воде газы при расчете общего солесодержания не учитываются.

В зарубежных литературных источниках минерализацию или показатель общего количества растворенных частиц обозначают TDS (Total Dissolved Solids).

Общую минерализацию выражают в мг/дм³ или г/дм³, а также измеряют в промилле – ‰ (1‰ соответствует 1 грамму в 1 литре). Еще результаты анализа могут быть выражены в единицах ppm от английского parts per million (частей на миллион).

Принято считать, что 1 мг/дм³ приблизительно соответствует 1 ppm.

Для расчета величины минерализации, как правило, суммируют содержания диссоциированных в воде ионов, но это лишь часть всех веществ, имеющихся в воде. Не учитывается «органика» летучей природы, которая тоже может находиться в растворе. Поэтому понятия «минерализация» и «сумма ионов» не являются синонимами. Но подавляющая часть веществ, растворенных в воде, находится в диссоциированном состоянии (главнейшие ионы). Следовательно, подсчет суммы ионов дает достаточно полное представление о минерализации воды.

Какие минералы содержатся?

В природных водах обнаруживаются две группы минеральных солей.

«Главные ионы» определяют в воде в первую очередь.

К минералам 2-й группы относятся:

• аммоний, тяжелые металлы, железо общее (сумма Fe2+ и Fe4+);
• нитрат, нитрит, ортофосфат.

Соли 2-й группы вкладываются несущественно в общую минерализацию природной воды, но они учитываются при оценке качества воды, так для каждого компонента установлен свой уровень ПДК.

В зависимости от преобладания тех или иных анионов из 1-й группы воды подразделяют на:

• гидрокарбонатные (концентрация НСО₃ > 25% экв. анионов);
• сульфатные (SO₄ > 25% экв.);
• хлоридные (С1 > 25% экв.).

По преобладающему «главному» катиону (из 1-й группы) воды делятся на натриевые, кальциевые, калиевые, магниевые.

Типология пресных и соленых вод

Блестящий ученый В. И. Вернадский предложил понятный вариант классификации, выделив три типа вод по величине минерализации:

Большинство существующих пресных вод в основном гидрокарбонатные, а солоноватые и соленые –сульфатно-хлоридные. Повышение солености выше 35 г/дм³ обусловлено присутствием хлоридов. Рассолы соляных озер, глубинных скважин, океанов и морей относятся к хлоридным натриевым водам.

Для градации подземных вод в гидрогеологии пользуются классификацией

А. М. Овчинникова, которая приведена в сводной таблице ниже.

К ультрапресной, лишенной солей, воде принадлежит роса и потоки, уходящие с тающих ледников. Пресные воды наполняют большинство рек и озер на Земле, выпадают в виде дождя и снега. Солесодержание атмосферных осадков составляет от 3 до 60 мг/дм³. В подземных водах концентрация солей колеблется от 40 до 50 мг в литре. Предел солесодержания пресных вод – 1 г/кг.

Если этот рубеж преодолен, вода будет неприятно соленая или горько-соленая. Водоемы засушливых районов слегка солоноваты и отличаются повышенной минерализацией, а в некоторых минеральных озерах концентрация солей достигает 35 г/кг.

Солесодержание морской воды не превышает 50 г/кг. Превышение этого значения характерно для соленых озер и подземных вод из глубинных скважин, где содержание солей может достигать 400 г/кг.

Крупнейший специалист-гидрогеолог Е. В Пиннекер разделил рассолы по минерализации на 4 группы:

Влияние минеральной воды на человека

Питьевая столовая

Воды минеральные с содержанием солей до 1 г/дм³ включительно относятся по ГОСТ Р 54316-2011 к столовым водам. В минеральной столовой воде из природных источников мало растворённых веществ, поэтому их воздействие на человеческий организм небольшое. Столовые воды не имеют ярко выраженного привкуса, лишены запаха. Воду с низкой минерализацией не возбраняется использовать для приготовления блюд и ежедневного питья.

Широко известны потребителю столовые минеральные воды «Ессентуки», Evian, «Боржоми», BonAqua, «Нарзан», «Святой источник», Aqua Minerale, «Архыз».

Минеральные столовые воды систематизируются по различным показателям.

По газовому наполнению выделяют минеральные столовые воды:

• сульфидные (сероводородные) – содержат свыше 10 мг/дм³ общего сероводорода;
• азотные – концентрация двухвалентного азота (N₂) до 20–25 мг/дм³;
• углекислые – содержат не менее 0,5 г/дм³ диоксида углерода (CO₂).

Классификация воды в бальнеологии

Минеральные воды подразделяются на шесть бальнеологических групп. Эту классификацию минеральных вод, используемую и в настоящее время, составили

В. В. Иванов и Г. А. Невраев в 1964 году.

Группа	Наименование вод	Особенности минеральных вод	Лечебное применение
Группа А	без «специфических» компонентов и свойств	общая минерализация вод и рассолов – 1-35 мг/дм3 и более; воды холодные и термальные	для наружного применения и для лечебного питья
Группа Б	углекислые	содержание растворенного CO2 не менее 0,75 мг/дм3	при заболеваниях ЖКТ, выделительной системы – питьевое лечение; в виде ванн – для лечения сердечно-сосудистых патологий
Группа В	сероводородные (сульфидные)	свободный H2S присутствует в концентрации не ниже 10 мг/дм3	для приготовления ванн
Группа Г	железистые, мышьяковистые и с высокой концентрацией алюминия, марганца, меди	слабо или среднеминерализованные; содержание железа не менее 20 мг/дм3; разнообразный ионный состав.	для ванн и орошений; питьевое лечение
Группа Д	бромистые (Br), йодистые (I) и с высоким содержанием органических веществ	бром – 25 мг/дм3 и йод –5 мг/дм3 при минерализации не более 12-13 мг/дм3	при заболеваниях органов пищеварения, мочеполовой системы, при неврозах, начальных стадиях гипертонической болезни
Группа Е	радоновые (радиоактивные)	содержание радона более 50 эман/л (14 ед. Махе)	для лечения системы кровообращения, болезней ЖКТ, почек и мочевыводящих путей, нервной системы; проблем с гинекологией
Группа Ж	кремнистые термы	низкая минерализация; много азота и кремнистой кислоты; теплые (горячие) воды	для лечебного питья и приготовления лечебных ванн

Низкий уровень минерализации

К слабоминерализованной воде относят воду, содержащую до 50-100 мг/дм³ солей. В такой воде практически нет минералов, и на вкус она неприятна. При длительном употреблении воды с низким уровнем минерализации в организме сбивается обмен веществ, к примеру, в тканях уменьшается содержание хлоридов. Но в тоже время воды с невысокой минерализацией способствуют выведению из почек и мочевого пузыря слизи, песка и даже мелких камней.

Средний и высокий уровни

Большинство питьевых минеральных вод среднеминерализованы, в том числе и ценные углекислые воды.

Воды средней минерализации интенсивно воздействуют на ткани и органы человека, в том числе влияют на работу желчного пузыря и кислотообразование в желудке, на перистальтику кишечника.

Избыток солей в питьевой воде, когда их концентрация превышает 1000 мг/дм³, делает вкус питья неприятным. Высокий уровень минерализации часто обусловлен содержанием калия, солей соляной кислоты и натрия.

Питье такой воды приводит к неблагоприятным отклонениям в здоровье:

• усиливается жажда;
• нарастает отечность тканей;
• возрастает риск перегрева;
• нарушается работа кишечника (усиливается перистальтика).

Высокоминерализованные воды хороши для приготовления для ванн. Лечебные ванны из рассолов с минерализацией не более 150 г/дм³ допускается использовать, не разбавляя пресной водой. Воды высокой минерализации находят лишь ограниченное питьевое применение – преимущественно для получения послабляющего эффекта.

Купание в высокоминерализованных источниках

Воды с высоким содержанием солей во время купания или принятия лечебных ванн химически воздействуют на организм, раздражая экстерорецепторы кожи. Внутрь организма также проникают некоторые ионы и микроэлементы, стимулируя интерорецепторы сосудов и внутренних органов. Действие продолжается и после прекращения контакта с высокоминерализованной водой, так как соль остается на коже в виде тончайшего слоя.

Сероводородная вода сочинского курорта «Мацеста» – пример ценного высокоминерализованного лечебного ресурса. Ванны с «огненной водой» Мацесты вызывают покраснение кожи. Кровеносные сосуды расширяются, в организме происходят гемодинамические сдвиги. Улучшение кровотока восстанавливает и нормализует структуру тканей органов и их систем, повышает их функциональную активность.

Другой известный источник высокоминерализованных вод находится на Ближнем Востоке. Воды Мертвого моря, бессточного соленого озера, отличаются самой высокой степенью солености в мире – от 300 до 350‰. Богатая «химия» воды представлена двумя десятками минералов и солей, среди которых хлорид калия, кальция, магния, натрия, бромиды. Обычная морская вода содержит 77% NaCl, но в Мертвом море концентрация хлористого натрия не превышает 25-30%, зато содержание солей магния (хлорида и бромида) достигает 50%. Магний и бром успокаивают расшатанную нервную систему, повышают стрессоустойчивость. Присутствие в лечебной ванне, созданной природой, солей калия и кальция нормализует кровяное давление.

Купание в высокоминерализованной воде при соблюдении рекомендаций врача приносит только пользу и омолаживает организм.

Влияние на антропную среду

Инженерные сооружения и машины

Высокая минерализация воды – настоящее бедствие для инженерных сооружений. Твердые грязно-белые частицы солей кальция и магния откладываются внутри труб, снижая скорость движения воды в коммуникациях. Накипь, нарастающая на нагревательных элементах бойлеров, снижает интенсивность теплообмена, способствует перегреву металлических поверхностей вплоть до поломки оборудования. Отложение солей на теплообменнике ведет к перерасходу топлива и потерям электроэнергии.

Ливневые коммуникации и водопроводы

Растворенные в воде соли кальция, магния, натрия и наличие углекислого газа, могут способствовать как образованию на трубах защитных пленок из нерастворимых карбонатов, тормозящих коррозию, так и появлению негомогенных пленок, ускоряющих разрушение водопровода. Сульфаты увеличивают электропроводность среды, активируя внутреннюю коррозию, а также косвенно способствую биологической коррозии. Хлориды встраиваются на место кислорода в защитную пленку и точечно воздействуют на металл. На металлических поверхностях коммуникаций образуются язвы, возникают течи.

Методы определение минерализации воды

ГОСТ Р 51232-98 отождествляет понятия «сухой остаток» и «общая минерализация». Для определения «сухого остатка» требуется выпарить 1 дм³ воды и взвесить то, что осталось после этой процедуры, то есть все твердые вещества.

Параметр «сухой остаток» в лабораториях определяют двумя методами – гравиметрическим и кондуктометрическим. Гравиметрический метод предполагает предварительное выпаривание пробы воды, а затем высушивание и взвешивание осадка. Этот метод требует временных затрат, поэтому в лабораториях общую минерализацию чаще всего определяют помощью кондуктометра, измеряя прибором электропроводность воды. Портативный кондуктометр позволяет сделать быстрый вывод о минерализации воды в лабораторных и в походных условиях. Электропроводность воды напрямую зависит от концентрации растворенных солей, ионы которых переносят электрический заряд. Чем больше концентрация в жидкости положительно и отрицательно заряженных частиц, тем выше электропроводность.

Обзор методик по ГОСТу

Для определения сухого остатка по ГОСТ 18164-72 используют две варианта анализа:

• без соды;
• с добавлением соды.

Первый вариант предполагает выпаривание порции исследуемой воды на водяной бане, а затем высушивание фарфоровой чашки с осадком до постоянной массы (при t=110 ⁰С в термостате).

Второй вариант определения сухого остатка предполагает добавление к пробе во время выпаривания карбоната натрия (соды).

Гигроскопичные хлориды кальция и магния при повышении температуры подвергаются гидролизу, а кристаллогидраты CaSO₄, MgSO₄ тяжело отдают воду, поэтому результаты исследования завышаются. Чтобы получить достоверные данные, к пробе добавляют точно отмеренный объем 1%-го раствора карбоната натрия, по массе в два раза превышающий предполагаемый сухой остаток в пробе воды. В результате кристаллогидраты CaSO₄, MgSO₄ превращаются в безводные формы. Дальнейшие действия заключаются в выпаривании чашки с содой, чтобы извлечь воду из кристаллогидратов Na₂SO₄.

Что может ТДС?

Прибор TDS (Total Dissolved Solids) – это измеритель общего количества растворенных в воде частиц солей на 1 миллион частиц воды. По принципу действия TDS – обычный кондуктометр, измеряющий электропроводимость растворов.

Соли, растворяясь в воде, распадаются на ионы, которые электрически заряжены. Чем больше в растворе заряженных частиц, тем выше его способность проводить электрический ток.

Поэтому по электропроводимости раствора можно судить о концентрации солей в нем.

TDS-метр покажет:

• уровень общей минерализации в единицах измерениях PPM (parts per million);
• превышение содержания солей или их отсутствие.

Этим прибором не получится проверить безопасность воды и сделать выводы о ее качестве. TDS-метр «не видит» вещества, растворенные в воде, если растворы этих веществ неэлектролиты. Именно поэтому датчик прибора не зафиксирует присутствие в воде токсичного хлороформа, но просигнализирует о непригодности безопасной минеральной воды проверенного бренда.

TDS-метр незаменим, если надо принять решение о целесообразности установки для очистки воды методом обратного осмоса. Прибором удобно замерить минерализацию поступающей воды и убедиться, что солей много (или мало).

А затем TDS-метр пригодится для определения качества работы системы очистки осмосом. Измерение параметра минерализации воды до фильтра и после него позволят сделать вывод о необходимости замены мембраны.

Расчет сухого остатка

Единицы измерения и формула расчета

Величина сухого остатка выражается в мг/дм³. Показатель минерализации рассчитывается по формулам, приведенным в таблице ниже.

Нормы по СанПиН

Для питьевой воды, поступающей потребителю из системы централизованного водоснабжения, величина сухого остатка в новых СанПиН 2.1.3684-21, вступивших в силу с 1 марта 2021 года, осталась на прежнем уровне – 1000 мг/дм³. Показатель сухого остатка в колодцах и скважинах, снабжающих население питьевой водой, не должен превышать 1500 мг/дм³.

Минеральная водоподготовка

Повышенная минерализация воды способствует обрастанию трубопроводов и оборудования отложениями кальциевыми и магниевыми солями. Дорогая бытовая техника, контактирующая с высокоминерализованной водой, требует частой очистки, а без должного ухода выходит из строя. Ежедневное употребление воды, насыщенной солями, воздействует на человеческий организм не лучшим образом.

Очистка

В ходе водоподготовки минерализацию воды снижают:

• дистилляцией;
• электромембранной очисткой (электродиализом);
• баромембранным методом (обратным осмосом).

Дистилляция

Суть метода заключается в испарении жидкости при нагревании и последующем ее конденсировании. Чистая вода закипает при 100 ⁰С, затем испаряется, а примеси с другой температурой кипения остаются на стенках испарителя.

Метод непопулярен из-за высокой энергоемкости процесса дистилляции и неизменного нарастания «шубы» из накипи на нагревательных элементах дистиллятора.

Электродиализ

Ионы металлов и кислотных остатков способны двигаться под действием электрического тока в направлении противоположно заряженных электродов. На этой способности основано обессоливание воды методом электродиализа в специальной емкости, разделенной двумя мембранами на три секции. В крайних секциях расположены электроды, которые притягивают к себе заряженные ионы. Катионы и анионы из межмембранного пространства проходят через мембраны к электродам и собираются там, а в межмембранном пространстве остается вода с пониженным уровнем минерализации.

Обратный осмос

Эффективный и экономически выгодный метод удаления солей из воды – обратный осмос. В основе обратноосмотического фильтра – полупроницаемая мембрана, задерживающая практически все примеси, но беспрепятственно пропускающая воду. Минерализованная вода подается на мембрану под давлением, которое создается специальным повысительным насосом. Вода на выходе из фильтра очищается от солей практически на 100 %, при этом неизбежно становится безвкусной.

Поэтому следующим этапом подготовки высокоочищенной воды становится насыщение ее необходимыми минералами.

Обогащение

Процесс обогащения воды минералами происходит в минерализаторе – картридже с насыщенным раствором солей. Минерализатор восстанавливает водно-солевой состав очищенной воды, улучшая ее вкус. Небольшие дозы ионов кальция, магния, натрия подаются в очищенную воду, приближая ее по уровню растворенных солей к природной.