Общие представления о системах очистки воды

Реальная вода представляет собой водный раствор веществ в различном агрегатном состоянии сложного химического состава. В ней содержатся ионы неорганических соединений (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Fe2+, Al3+, NH4+, Cl–, HCO3–, SO42–, NO3–, NO2–, F– , SiO32–, HS–, CO32– и др.), растворенные газы (O2, CO2, N2, H2S), мельчайшие частицы твердых примесей, органические вещества природного и искусственного происхождения, микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности.

Размеры частиц, содержащихся в воде, могут быть в пределах от нескольких десятитысячных долей микрона до 100 и более микрон, т.е. различаются более чем в десять миллионов раз. В таблице 1 приведены средние размеры частиц различной природы, которые могут находиться в воде, в зависимости от их веса, а также показаны диапазоны размеров поровых каналов различных фильтрующих элементов (мембран) с разделением их по типам фильтрационных процессов (обратный осмос, нано-, ультра- и микрофильтрация). Следует отметить, что размеры частиц в таблице 1 являются условными. Это так называемый средний размер, который определяется на основании известной плотности вещества и веса частицы из условия, что частицы имеют приблизительно сферическую форму. На самом деле большинство органических соединений, многие микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности и отдельные фрагменты структуры микроорганизмов имеют линейное строение и в зависимости от ориентации способны проходить через фильтрующий материал, размер пор которого условно считается для них непроницаемым. Например, антибактериальные фильтры, которые используют в медицине для фильтрации лекарственных препаратов имеют средний размер пор 0,22 микрона. Однако сквозь такие фильтры свободно проникают жгутики и пили бактерий, диаметр которых от 25 до 7 нанометров (0,025 - 0,007 мкм). Получить воду, близкую к идеально чистой возможно с помощью обратноосмотических фильтрационных устройств с мембранами, размеры пор которых не превышают 0,0001 мкм, однако такая вода, если ее использовать для питья, оказывает весьма неблагоприятное воздействие на организм человека, поскольку лишена необходимых компонентов: ионов натрия, кальция, магния, фтора, хлора, сульфатов, карбонатов и многих других, которые обязательно должны присутствовать в питьевой воде.

Виды и размеры примесей в питьевой воде

В процессе эволюционного развития в течение сотен тысяч лет организм человека адаптировался к потреблению природной пресной чистой воды, минерализация которой находится в пределах 0,2 - 1,0 грамм на литр, которая содержит небольшое количество органических веществ природного происхождения и в которой отсутствуют патогенные или условно патогенные микроорганизмы.

В результате техногенной деятельности человека практически вся пресная вода поверхностных и подземных источников Земли оказалась загрязненной веществами-ксенобиотиками, которые являются чужеродными и ненужными для организма человека (детергенты, гербициды, пестициды, продукты переработки нефти и пр.). В процессе биотрансформации такие вещества нередко распадаются на более токсичные продукты, чем исходные соединения. Вещества-ксенобиотики оказывают угнетающее влияние на иммунную систему человека, приводят к различного рода органическим и функциональным расстройствам.

Кроме того, в воде увеличилось содержание ионов, оказывающих токсическое действие на организм человека при любых, даже самых малых концентрациях (Нg2+, Рb2+, Са2+), а также возросли до вредных концентрации ионов, полезных в микроколичествах (Fе3+, Fе2+, Сu2+, Zn2+, Ni2+ и др.- см. табл. 2).

В зависимости от степени отрицательного влияния на организм человека, металлы располагаются в последовательности, которая называется рядом токсичности металлов: Нg > Аg > Сu > Zn > Ni > РЬ > Сd > Аs > Сr > Sn > Fе > Мn > Аl > Ве > Li . В данном ряду каждый предшествующий элемент более токсичен, чем последующий.

В природной пресной воде также увеличилось количество микроорганизмов, адаптированных к наличию веществ-ксенобиотиков и ионов тяжелых металлов, появились их новые формы, представляющие для человека намного большую опасность, чем ранее известные и хорошо изученные виды в связи с повышенной резистентностью к традиционно используемым антисептическим средствам.

Представление о том, что в процессе очистки воды с помощью фильтрационных или сорбирующих устройств возможно задержать все вредные вещества и сохранить полезные является в корне ошибочным. Разделить по признаку полезности десятки тысяч различных растворенных веществ принципиально невозможно фильтрационными и сорбционными методами как взятыми отдельно, так и в любых возможных сочетаниях. Кроме того, концентрированно содержащихся в воде полезных или вредных веществ на поверхности фильтрующих мембран, в порах сорбента или на поверхности ионообменных материалов всегда приводит в первую очередь к задерживанию микроорганизмов, к ускоренному их размножению и усиленному выделению микробных токсинов в воду при одновременном резком снижении фильтрующей, сорбирующей или ионообменной способности активных элементов водоочистительного устройства.

Методы очистки воды, основанные на вводе биоцидных веществ (йода, брома, серебра) сопряжены с риском вредного влияния на организм человека. Обработка воды ультрафиолетовым облучением, ввод озона не обеспечивают эффективного обеззараживания при наличии в воде коллоидных частиц или органических соединений естественного или искусственного происхождения.