1.2: Хімія води та стандарти

Цілі навчання

Після прочитання глави учень повинен вміти ідентифікувати:

• Матерія, елементи та сполуки
• Системи громадського водопостачання: громада та не громада
• Первинні та вторинні стандарти
• Порушення водопідготовки
• Об'ємні математичні задачі

Очищення води - це складний процес, який включає частини, які людське око не може бачити. У цьому розділі ви дізнаєтеся про основні наукові принципи, пов'язані з водопідготовкою. Ми також обговоримо стандарти питної води в США та різні стандарти громади.

Матерія, елементи та сполуки

Матерія

Найменші частини елемента складаються з частинок, відомих як атоми. Незважаючи на те, що вони настільки малі, атоми все одно зберігають характеристики елемента. Навіть з технологічними досягненнями мікроскопи все ще не в змозі захопити атоми. Множинні розташування атомів роблять кожен елемент унікальним. Атом коли-небудь настільки малий, складається з трьох частинок, відомих як протон, нейтрон і електрон. Кожна частинка пов'язана різними зарядами.

• Протонно-позитивний
• Нейтрон-без заряду
• Електрон- негативний заряд

Малюнок\(\PageIndex{1}\): (зліва) Carbon by Science Activism ліцензується відповідно до CC BY 2.0. Малюнок\(\PageIndex{2}\): (праворуч) Атом вуглецю Алехандро Порто ліцензований відповідно до CC BY-SA 3.0

Визначальна характеристика атома ідентифікується протоном. Протон, розташований в ядрі, має відмінну кількість. Наприклад, вуглець має шість протонів, розташованих в ядрі. Жоден інший елемент не має шести протонів в ядрі. Кількість протонів представлено у вигляді атомного номера. Атомна маса - це кількість протонів і нейтронів. Кількість протонів, які існують для даного елемента, завжди однакове, але кількість нейтронів може варіюватися. Коли існує різна кількість нейтронів даного елемента, він відомий як ізотоп. Коли атом має різницю електронів, його називають іоном. Коли заряди атома не врівноважуються, вони стають нестабільними. Атом, який має більше протонів, ніж нейтронів, називається катіоном. Атом, який має більше електронів, ніж протонів, називається аніоном.

Найбільш поширені елементи в професії водопідготовки:

• Алюміній (Al)
• Сурма (Sb)
• Миш'як (As)
• Барій (Ba)
• Берилій (Be)
• Бор (Б)
• Бром (Br)
• Кадмій (Cd)
• Кальцій (Ca)
• Вуглець (C)
• Хлор (Cl)
• Хром (Cr)
• Мідь (Cu)
• Фтор (F)
• Водень (Н)
• Йод (I)
• Залізо (I)
• Свинець (Pb)
• Магній (Mg)
• Марганець (Mn)
• Меркурій (Мн)
• Нікель (Ni)
• Азот (N)
• Кисень (O)
• Фосфор (P)
• Калій (K)
• Радій (Ra)
• Селен (Se)
• Кремній (Si)
• Срібло (Ag)
• Натрій (Na)
• Стронцій (Sr)
• Сірка (S)
• Талій (Tl)

Є елементи, які є чистими за формою, наприклад кисень. Оскільки елементи нестійкі, вони часто поєднуються з іншими елементами, утворюючи з'єднання. Вода (Н ₂ О), наприклад, являє собою з'єднання. Він являє собою комбінацію двох атомів водню і одного атома кисню. З'єднання - це два або більше елементів, які скріплені між собою за рахунок їх залучення зворотними зарядами. Об'єднуються елементи утворюють молекулу. Коли дві хімічні речовини змішуються між собою без хімічної реакції, це називається сумішшю. Різниця між сумішшю і з'єднанням пов'язана між собою хімічною реакцією. Хорошим прикладом суміші є морська вода. Сіль можна видалити з води шляхом перегонки. Хімія води буде розглянута більш детально в тексті та курсі якості води.

Стандарти питної води

Перші стандарти питної води, створені в США, відбулися в 1974 році і називалися Законом про безпечну питну воду (SDWA). EPA США встановлює стандарти питної води, яких повинні дотримуватися всі муніципалітети води. Хоча держави можуть придумати свої власні стандарти, вони повинні відповідати мінімальним вимогам, встановленим федеральним EPA. У Каліфорнії стандарти питної води набагато жорсткіші, ніж федеральні вимоги, і тому мають першість. Станом на 2014 рік Державною регуляторною групою, відповідальною за питну воду, є Державна комісія з контролю за водними ресурсами. Поправки до закону про безпечну питну воду включають методи затвердження очисних споруд, визначення критеріїв фільтрації комунальних водопостачань, розрізнення різних методів очищення поверхневих та підземних вод та заборону продуктів свинцю в системах питного водопостачання. Існує два набори стандартів питної води, визначені як первинні стандарти та вторинні стандарти. Первинні стандарти впливають на здоров'я людини і відповідають максимальним рівням забруднюючих речовин (MCL). MCL є офіційним безпечним рівнем, при якому людина може споживати даний забруднювач без несприятливих наслідків для здоров'я. Вторинні стандарти не впливають на здоров'я людини і контролюються цілями максимального рівня забруднення (MCLG). Коли повідомляється про забруднення, немає такого поняття, як нуль. Рівні встановлюються для захисту здоров'я людини, але також встановлюються на основі найкращої доступної технології. Оскільки технологія покращує MCL, може бути переглянута. Прилади для вимірювання рівня забруднюючих речовин не завжди здатні зчитувати до абсолютного нуля. Через це необхідний рівень виявлення для звітності.

Системи громадського водопостачання

Існує три різні категорії систем громадського водопостачання:

• Громадська система водопостачання громади: Громадська система водопостачання має 15 або більше сервісних з'єднань і обслуговує щонайменше 25 або більше людей цілий рік. До них належать муніципалітети, пересувні домашні парки, кондомініуми та багатоквартирні будинки.
• Неперехідна, негромадська система: Неперехідна, неспільна система громадського водопостачання володіє власною системою і обслуговує в середньому 25 людей протягом принаймні шести місяців. Школи, лікарні, адміністративні будівлі входять в цю категорію.
• Тимчасова, негромадська система: Тимчасова, негромадська система громадського водопостачання володіє власною системою водопостачання і обслуговує в середньому 25 людей на день. У цій категорії люди споживають воду протягом короткого періоду часу. До цієї категорії належать церкви, парки, ресторани, мотелі.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Зображення CDC знаходиться у відкритому доступі

Стандарти первинної питної води розділені на п'ять категорій. До категорій належать неорганіка, органіка, каламутність, мікробіологічні та радіологічні.

• Неорганічні речовини: метали, нітрати та фтор
• Органіка: Пестициди, розчинники та дезінфікуючі побічні продукти (DBP) - поєднання хлору та природного органічного матеріалу. Більш детально ця тема буде розглянута далі в тексті.
• Помутніння: помутніння води. Помутніння має здатність захищати мікробіологічний матеріал.
• Мікробіологічні: тестування коліформ (Це буде розглянуто більш детально пізніше в тексті. Оператори води не тестують на конкретні мікробіологічні агенти. Тестуємо на показник організму кишкова паличка. Вони колонізують у більшій кількості, тому, якщо зразок повертається позитивним, існує більша ймовірність забруднення фекалом.)
• Радіологічні: брутто альфа, бета і радон

Стандарти вторинної питної води ґрунтуються виключно на естетичній якості питної води. Основна увага вторинних стандартів - смак, запах і колір. Склянка води, яка пахне рибою і має помаранчевий колір, може бути «безпечною» для пиття, але не буде добре сприйнята або легко споживана. Каліфорнія, як і деякі інші штати, має схвальні вторинні стандарти.

Таблиця 2.1: Рекомендовані рівні забруднюючих речовин та характеристик

Забруднення/характеристика	Рекомендований рівень
Алюміній	0,05 до 0,2 мг/л
Хлорид	250 мг/л
Колір	15 колірних одиниць
Мідь	1 мг/л
корозійна здатність	Не корозійний
Фтор	2 мг/л
Піноутворювачі	0,5 мг/л
Залізо	0,3 мг/л
Марганець	0,05 мг/л
Запах	3 пороговий номер запаху
рН	Від 6,5 до 8,5
Сріблястий	0,10 мг/л
Сульфат	250 мг/л
Загальна кількість розчинених твердих речовин	500 мг/л
Цинк	5 мг/л

Джерело: Графік EPA знаходиться у відкритому доступі

Публічне сповіщення

У тому випадку, якщо очисна споруда не відповідає вимогам SDWA, громадськість повинна бути повідомлена. Існує три різних рівня сповіщень, причому рівень I є найгіршим з порушень, а рівень III - найменшим. EPA надає дуже специфічну мову для публічних сповіщень у разі порушення. Порушення відповідності SDWA є досить поганим, але не повідомити про порушення призводить до ще більш жорстких штрафів та штрафів. У 2014 році у Флінті Мічиган 15 осіб були кримінально звинувачені через їх недбалість у професії водопідготовки. Все почалося, коли місто Флінт змінило свою вихідну воду без належного тестування. Чиновники знали, що вода не є безпечною для пиття, і були допущені численні порушення. Громадськість не була належним чином поінформована про ці порушення, що призвело до 10 смертей та 77 інших тяжко захворіли. Це те, що рідко обговорюється, тому що люди в промислово розвинених країнах ніколи не турбуються про якість своєї питної води. Найголовніше, що ви можете зробити як оператор, це сказати щось, якщо з'являється проблема з якістю питної води. В іншому випадку ви можете опинитися у в'язниці. Варіанти сповіщень включають радіо або телевізійні оголошення, газети, доставку рук, розміщення в громадських місцях, гучномовці, текстові повідомлення та зворотний 911. Повідомлення буде змінюватися залежно від тяжкості порушення.

Порушення

Рівень I

• Будь-який позитивний тест на кишкову паличку і нездатність зразка після початкового позитивного тесту
• Нітратне або нітритне порушення
• Діоксид хлору Максимальна межа залишкової де
• Перевищення очисних споруд допустимий рівень каламутності. Може бути II рівень, якщо агентство першості не піднімає порушення.
• Надзвичайна ситуація на водній основі або спалах хвороби, що передаються водою

ІІ рівень

• MCL, MRDL та, Treatment Technical (TT) порушень, якщо очисна споруда не виконує коригувальних дій для усунення проблем в очисних спорудах або не інформує громадськість.
• Порушення моніторингу якості води — не взяття необхідних зразків якості води. Також може бути порушенням III рівня, але може бути підвищеним за грубу недбалість.
• Невідповідність дисперсії або виключення

ІІІ рівень

• Тестування води та порушення моніторингу
• Будь-який час, коли система лікування працює під відхиленням або винятком. Агентство першості може дати очисній споруді дисперсію або звільнення на короткий проміжок часу. Повідомлення громадськості полягає в інформуванні громадськості про те, що водне агентство не працює відповідно до затвердженої методики лікування. Це не означає, що воду небезпечно пити, але посібники з експлуатації дуже специфічні.

Моніторинг якості води

Постійний моніторинг питної води забезпечує якість, надійна питна вода доставляється населенню. Кількість відібраних зразків, частота відбору проб, місце відбору проб, процедури випробувань та вимоги до ведення обліку визначаються державними та федеральними вимогами. Якщо вимоги до вибірки не виконуються, це може призвести до публічного повідомлення. Порушення рівня ґрунтується на забруднюючому речовині та чи не викликає забруднювач гострих наслідків для здоров'я.

Тип моніторингу базується на джерелі води, техніці очищення та розмірі системи. Звітність та діловодство ґрунтується на положеннях першості агентства. Державні правила повинні відповідати федеральним вимогам як мінімум, але можуть бути більш суворими, як це відбувається в Каліфорнії.

Ведення обліку

Нижче наведено список записів, які необхідно зберігати, і кількість часу, коли записи повинні зберігатися у файлі.

• Бактеріологічна і каламутність—5 років
• Хімічний аналіз—10 років
• Виправні дії від порушень—3 роки
• Санітарні обстеження—10 років
• Звільнення—5 років після закінчення терміну дії

Розбіжності та винятки

У випадку, якщо система водопостачання не в змозі задовольнити MCL через вихідну воду, першість агентство може надати дисперсію або звільнення. Різниця надається лише тоді, коли агентство включило найкращу доступну технологію і існує нульовий ризик для здоров'я населення. У випадку з Flint Michigan нова вихідна вода не була належним чином перевірена, перш ніж вона була використана в системі. Завод Flint Water не зміг належним чином обробити вихідну воду, яка мала підвищений рівень свинцю, і місто не використовувало найкращі доступні технології. Навіть якби місто Флінт подав заявку на відхилення або звільнення, це не було б надано, оскільки рівень свинцю у воді створює значний ризик для здоров'я населення.

У майбутніх розділах тексту ми розглянемо нормативні акти, додані до SDWA. З моменту виключення початкового законодавства було внесено кілька змін та удосконалень. Ми більш детально обговоримо Загальне правило коліформ, Правило для обробки поверхні води, Довгострокове 2 Покращене правило обробки поверхневих вод, правило свинцю та міді, правило грунтових вод та правило дезінфікуючого біпродукту етапу 1 та 2.

Обсяг

Обчислення обсягу стануть дуже поширеними для операторів водопідготовки. Оператори використовують обчислення об'єму для вирішення математичних питань з колами, трикутниками та прямокутниками. Якщо озирнутися навколо водоочисного споруди, то воно сповнене геометричних фігур. Ємності можуть бути циліндричними або прямокутними за своєю природою. Оселення водойм може мати до них трикутний характер. Основні питання обсягу стануть більш залученими пізніше в тексті, оскільки вам, можливо, доведеться спочатку вирішити питання про обсяг, а потім вирішити питання, пов'язане з потоком.

Циліндр	Обсяг = 0,785 × Д2 × Н
Прямокутник	Об'єм = Д × Ш × В
Трапеція	Об'єм = × H × L

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Який обсяг кубового резервуара висотою 10 футів? (Пам'ятайте, що кубики мають однакову одиницю довжини з усіх трьох сторін. Це найпростіша проблема для вирішення.)

Обсяг = Довжина × Ширина × Висота Обсяг (^фути 3) = 10 футів × 10 футів × 10 футів Відповідь 1,000 футів ^3

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Який обсяг прямокутного резервуара висотою 20 футів, шириною 10 футів та довжиною 7 футів?

Обсяг = Довжина × Ширина × Висота Обсяг = 7 футів × 10 футів × 20 футів Відповідь 1,400 футів ^3

Існує два різних способи вирішення циліндричних математичних задач. Найпростіша формула для використання - об'єм = .785 d ² H. Ця формула найпростіша, оскільки в математиці води ми, як правило, дивимося на діаметр циліндричної форми, а не радіус. Радіус кола дорівнює половині діаметра. Вона являє собою пряму лінію, виміряну від центру кола до краю кола. Діаметр - це пряма лінія, яка проходить через центр кола з кінцевими точками на колі.

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Який об'єм резервуара для зберігання розміром 40 футів в діаметрі і глибиною 20 футів?

Обсяг = 0,785 × д ^2 × В Обсяг = .785 × 40 футів × 40 футів × 20 футів Відповідь - 25, 120 футів ^3

Часто проблеми з математикою води потребують декількох кроків для вирішення. Як правило, ми хочемо знати, скільки галонів буде вмістити даний резервуар. Як тільки ми знайдемо об'єм резервуара в кубічних футах, ми потім перетворимо кубічні фути в галони.

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Перетворіть відповідь з Прикладу\(\PageIndex{3}\) в галони.

25 120 фут³ х 17,48 гал х 1 фут³ = 187,898 гал х 1

відповідь: 187,898 галонів

Приклад\(\PageIndex{4}\)

Прямокутний бак для води заповнений. Розміри мають висоту 30 футів 12 футів в ширину і довжину 10 футів. Перетворити на галони.

Обсяг = 10 футів х 12 футів х 30 футів Обсяг = 3,600 футів ^3 3600 фут³ х 17,48 гал х 1 фут³ = 26,928 гал х 1 Відповідь: 26,928 галонів

Приклад\(\PageIndex{5}\)

Циліндричний резервуар для зберігання має діаметр 50 футів і висоту 30 футів. Бак наполовину заповнений. Скільки галонів в резервуарі?

Обсяг = 785 х 50 футів х 50 футів х 15 футів Обсяг = 29 437,5 округлений до 29 438 футів ^3 29 438 фут³ х 17,48 гал х 1 фут³ = 220,196 галон х 1 Відповідь: 220,196 галонів

Огляд глави

1. Найменша частина елемента відома як ___________.
   1. Протон
   2. Нейтрон
   3. Атом
   4. Ядро
2. Атомна маса складається з ___________.
   1. Нейтрони і електрони
   2. Протони і нейтрони
   3. Ядро і нейтрони
   4. Атом і ядро
3. Атом з негативним зарядом відомий як ___________.
   1. Протон
   2. Нейтрон
   3. Ядро
   4. Електрон
4. Що означає символ мг/л?
   1. Мікрограмів на літр
   2. Міліграм на л/л
   3. частин на мільйон
   4. І 2, і 3
5. Що означає абревіатура MCL?
   1. Мінімальний рівень забруднення
   2. Рівень забруднення мікрон
   3. Максимальний рівень забруднення
   4. Міліграми, зараховані останніми
6. Як довго повинні зберігатися санітарні обстеження для записів?
   1. 3 років
   2. 5 років
   3. 7 років
   4. 10 років
7. Найважче порушення системи водопостачання, яке вимагає якнайшвидшого оповіщення громадськості - ___________.
   1. Рівень I
   2. ІІ рівень
   3. ІІІ рівень
   4. Рівень IV
8. Агентство першості може надати дисперсію або звільнення до тих пір, поки ___________.
   1. Агентство використовує найкращу доступну технологію
   2. Немає загрози здоров'ю населення
   3. Ніколи не існує сценарію для дисперсії чи звільнення
   4. І 1, і 2
9. Громадська система водопостачання, яка обслуговує щонайменше 25 осіб шість місяців у році, відома як ___________.
   1. Неперехідний неспівтовариство
   2. Перехідний неспівтовариство
   3. Громадська система водопостачання
   4. Жодне з перерахованих вище
10. Правила, засновані на естетичній якості питної води, відомі як ___________.
    1. Первинні стандарти
    2. Вторинні стандарти
    3. Мікробіологічні стандарти
    4. Радіологічні стандарти
11. Найнижча звітна межа для проби води - ___________.
    1. 0,5 мг/л
    2. Нуль
    3. Ціль громадського здоров'я
    4. Рівень виявлення для звітності
12. Первинні стандарти базуються на ___________
    1. Колір і смак
    2. Естетична якість
    3. Громадська охорона здоров'я
    4. Запах
13. Кругова клірвелл 150 футів в діаметрі і 40 футів у висоту. Кліруелл має перелив на 35 футів. Яку максимальну кількість води може вмістити Clearwell в мільйоні галонів, округлених до найближчих сотих?
    1. МГ
    2. 4,62 МГ
    3. 18,50 МГ
    4. 7,50 МГ
14. Седиментаційний басейн має довжину 400 футів, 50 футів в ширину і 15 футів в глибину. Який обсяг виражається в кубічних футах?
    1. 100 000 футів
    2. 200 000 футів
    3. 300 000 футів
    4. 400 000 футів
15. Прозорий колодязь вміщує 314 000 футів 3 води. Він становить 100 футів в діаметрі. Яка висота колодязя?
    1. 25 футів
    2. 30 футів
    3. 35 футів
    4. 40 футів