«Исследование качества питьевой воды с. Мещерское Чеховского района и разработка рекомендаций по снижению экологических рисков при водопользовании».

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя образовательная школа №3 с углубленным изучением отдельных предметов

Проект на тему:

«Исследование качества питьевой воды с. Мещерское Чеховского района и разработка рекомендаций по снижению экологических рисков  при водопользовании».

Выполнила: Жукова Анастасия

Ученица 9-в класса

Руководитель: Леднева О.Н.

Учитель биологии

Научный консультант: к.г.н. Волков В.А.

2010-2011

Чехов

Московская область

Содержание.

Введение......................................................................................………....................…………............3

Глава 1. Влияние повышенных концентраций железа на жизнедеятельность флоры и фауны и на здоровье человека

1.1. Роль железа в жизни флоры и фауны. Влияние ионов железа на рост и развитие растений………………………………....…………………………………………....…………....…...4

1.2. Влияние ионов железа на здоровье человека………………..………..……….….............……. 4

Резюме по главе 1…………………….…………………………………………...……………............5

Глава 2.  Исследование свойств водопроводной воды с. Мещерское и выявление источников загрязнения вод в городской водораспределительной сети

2.1.  Методы исследований, использованные в ходе работы над проектом……………...……...…5

2.2. Предельно допустимые концентрации железа для питьевой воды. Анализ санитарного состояния водопроводной воды с. Мещерское. Метод измерения  массовой концентрации общего железа с сульфосалициловой кислотой.………………………………………………...…...6

2.3. Обнаружение катионов Fe2+ и Fe3+ в водопроводной воде с. Мещерское в школьных условиях…………………………………………………………………...............................................9

2.4. Причины повышенного содержания железа в подземных водах Московской области....….11

2.5. Экспериментальные исследование влияния водопроводной воды с. Мещерское с высоким содержанием железа в на жизнедеятельность растений. Сравнительный анализ всхожести семян при поливе нефильтрованной водопроводной водой с. Мещерское и водой очищенной фильтром ………………………………………………………………….……………………......…12

Резюме по главе 2…..…………………………………..……………….………….….….…..........…14

Глава 3. Разработка мероприятий в «Программу комплексного обеспечения безопасного питьевого водоснабжения с. Мещерское Чеховского района Московской области»

3.1. Способы обезжелезивания подземных вод. …………………………………………..………..14

3.1.1 Обезжелезивание аэрацией.……………………………………………………….…..….……14

3.1.2. Применение крупнозернистых фильтров для обезжелезивания воды.…………..…...….…15

3.1.3. Обезжелезивание воды в напорных фильтрах.………………………………………...….…15

3.1.4. Обезжелезивание в двух ступенях открытых фильтров (концентрация железа в пределах 10-15 мг/л). …………………………………………………………………………………............…15

3.1.5. Реагентные методы обезжелезивания воды.…………………………………………….....…16

3.1.6. Метод катионирования воды.……………………………………………………………....…16

3.2. Возможные варианты фильтров.…………………………………………………………..........16

3.2.1. Фильтры-кувшины………………………………………………………………………….….16

3.2.2. Фильтр - насадка на кран………………………………………………………………………17

3.2.3. Стационарные фильтры…………………………………………………………………..……17

3.2.4. Кулеры и диспенсеры……………………………………………………………………….…17

Резюме по главе 3…..……………………………………………………………………..…….........18

Заключение.……………………………………………………………………………………….....18

Список литературы. …………………………………………………………………....…………..20

Приложение 1…………………………………………………………………………………………21

Введение.

В Московской области есть и одно уникальное творение природы, это подземные воды — главный источник, снабжающий 90% жителей Подмосковья питьевой воды. Целое море подземных источников площадью в 360 тысяч квадратных километров находится в центре Русской равнины. [8]

В артезианской воде всего Подольско-Мячковского горизонта повышенно содержание железа. Именно отсюда поставляется  питьевая вода во многие города по всей Московской области, в том числе в село Мещерское, в котором я живу. Значит, проблемы с железистой водой знакомы многим. Я решила разобраться, как влияет вода с повышенным содержанием на человека и на развитие растений, ведь многие люди используют ее не только для личных, но и для сельскохозяйственных нужд.

Мне стало интересно, влияет ли на развитие семян железистая вода. Для опыта я взяла семена помидоров и перца, которых мы наиболее часто высаживаем на своем участке в селе Мещерское.  

Исходя из всего сказанного, можно сформулировать цель работы: Изучив данные по исследованию качества питьевой воды и влияние на развитие, и жизнедеятельность живых организмов на примере растений, выяснить, имеются превышения по ПДК в данной воде, и предложить варианты её улучшения.

Задачи:

Во-первых, изучить результаты исследований питьевой воды централизованного водоснабжения с. Мещерское по данным учета результатов исследований ФФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» в городах Пущино, Серпухов, Серпуховском, Чеховском районах.

Во-вторых, экспериментально изучить влияние воды с повышенным содержанием ионов железа на развитие растений на примере прорастания семян перца и помидоров.

В-третьих, изучить возможные способы снижения концентрации железа в питьевой воде.

В-четвертых, определить наиболее экономически выгодный способ решения данной проблемы, как в больших объемах необходимой воды, например, для школы, так и в более малых – для квартиры.

Объект исследования: семена перца (сорт Богатырь)  и помидоров (сорт Ажур F1).

Предмет исследования: всхожесть семян в фильтрованной и нефильтрованной питьевой воде централизованного водоснабжения с. Мещерское.

Гипотеза: можно ли выявить в процессе эксперимента и снизить путём реализации комплекса мероприятий негативное влияние железистой воды с. Мещерское на состояние и жизнеспособность растений, а также на здоровье населения.

Методика:

Во-первых, сравнение методов очистки воды и выбор наиболее оптимального варианта.

Во-вторых, сравнение результатов проращивания семян в зависимости от качества используемой воды.

Оборудование и материалы: семена перца (сорт Богатырь) и помидоров (сорт Ажур F1), чашки Петри, фильтрованная и нефильтрованная вода, ткань хлопчатобумажная.

Глава 1. Влияние повышенных концентраций железа на жизнедеятельность флоры и фауны и на здоровье человека.

1.1. Роль железа в жизни флоры и фауны.  Влияние ионов железа на рост и развитие растений.

Потребность в железе у растений довольно высока, хотя она ниже, чем в макроэлементах (азоте, фосфоре и калии). Оно является жизненно важным элементом на этапе синтеза особых веществ – предшественников хлорофилла. Также железо участвует в окислительно-восстановительных процессах, протекающих в растениях. Кроме того, без железа невозможен процесс дыхания растений, поскольку оно является составной частью дыхательных ферментов.

При недостатке железа у растений наблюдается хлороз между жилками листиков. Окраска верхних листьев становится бледно-зеленой и желтой, а между жилками появляются белые полоски, и весь лист постепенно может стать полностью белым. Признаки недостатка железа у растения проявляются в первую очередь на молодых листьях. Железное голодание у растений наблюдается чаще, чем нехватка других микроэлементов. Хотя железа в почве содержится довольно много, оно чаще всего бывает в форме, которую растения усвоить не могут. Дефицит железа наблюдается, как правило, на щелочных почвах, так как при внесении железосодержащих удобрений, железо тот же переходит в неусвояемую растениями форму. [13]

Избыток железа в питании растений – такое же отрицательное явление, как и его недостаток. Правда, такое встречается редко (на очень кислых почвах, при сильном загрязнении их солями железа и при низком содержании фосфора). Чрезмерное содержание железа в почве (как правило, вместе с избытком алюминия и марганца) усиливает негативное воздействие почвенной кислотности на растения. Токсичность железа также проявляется на засоленных почвах. Избыток железа приводит к прекращению роста корневой системы и всего растения. Листья при этом принимают более тёмный оттенок. Если же в силу каких-либо причин избыток железа оказался очень сильным, то листья начинают отмирать и осыпаться без всяких видимых изменений. При избытке железа (особенно в кислых почвах) затрудняется усвоение марганца, цинка, меди, молибдена и фосфора, поэтому могут проявляться и признаки недостатка этих элементов. В почвах подзолистого типа с высоким содержанием железа при его взаимодействии с серой образуется сернистое железо, которое негативно влияет на микрофлору почв (бактерии и др.), что приводит к потере плодородия почв. [14]

По результатам научных исследований Лесковой О.А., Якимова Е.П. (Забайкальский государственный гуманитарно-педагогичекий университет) при влиянии солей Fe3+ (при концентрации железа 10-3 М) развитие корневой системы не происходит, наблюдается ослизнение корня и через 6 дней полная гибель растения.
Концентрация железа 10-4 и 10-5 М не оказывает заметного угнетающего влияния на развитие корневой системы проростков. Боковые и придаточные корни хорошо развиты. Количество развитых листьев одинаково у контрольных и опытных проростков.  Растения накапливают Fe3+ и в листьях и в корнях. [11]

1.2. Влияние ионов железа на здоровье человека.            

Железо является составной частью гемоглобина, сложных железобелковых комплексов и ряда ферментов, усиливающих процессы дыхания в клетках. Железо стимулирует кроветворение. Оно важно не только для обеспечения организма кислородом, но и функционирования дыхательной цепи и синтеза АТФ и процессов метаболизма. Железосодержащие соединения играют важную роль в функционировании иммунной системы, прежде всего, клеточного звена. Железо входит в состав цитоплазмы всех клеток.

Его общее содержание в организме человека составляет около 4, 25 г. Из этого количества 57% находится в гемоглобине крови, 23% - в тканях и тканевых ферментах, а остальные 20% - депонированы в печени, селезенке, костном мозге и представляют собой "физиологический резерв". Средний пищевой рацион человека должен содержать не менее 20 мг, а для беременных - 30 мг железа. Важно помнить, что в течение месяца женщины теряют железа почти вдвое больше, чем мужчины.

В овощах, фруктах, ягодах железа сравнительно мало, но они служат ценным источником этого минерала, так как содержащееся в них железо легко усваивается организмом человека. Его всасыванию из пищевых продуктов способствуют лимонная, аскорбиновая кислоты и фруктоза, которые содержатся во фруктах, ягодах, их соках.

В зерновых и бобовых продуктах и некоторых овощах содержатся фосфаты и щавелевая кислота, препятствующие всасыванию железа. При добавлении мяса или рыбы к этим продуктам усвоение железа улучшается, при добавлении молочных продуктов — не меняется, при добавлении яиц — ухудшается. Подавляет усвоение железа крепкий чай, кофе.

Вопросы обеспеченности организма железом занимают одно из центральных мест в общей проблеме полноценного питания. Это обусловлено специфической ролью железа в организме, и тем обстоятельством, что железодефицитные состояния являются одними из наиболее распространенных видов пищевой недостаточности даже в высокоразвитых странах.

Повышенное содержание железа в воде (более 0,3 мг/л) в виде гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов, органических комплексных соединений или в виде высокодисперсной взвеси придает воде неприятную красно-коричневую окраску, ухудшает её вкус, вызывает развитие железобактерий, отложение осадка в трубах и их засорение. Если в такой воде постирать белье, на нем останутся ржавые пятна. Подобные же пятна появляются на посуде, раковинах и ваннах. При употреблении для питья воды с содержанием железа выше норматива человек рискует приобрести печеночную недостаточность, фиброз, изжогу, тошноту, рвоту, пигментацию кожи, слабость, повышенную утомляемость, сидероз, аллергические реакции, повысить риска развития атеросклероза, болезней печени и сердца, артрита и диабета, угнетения клеточного и гуморального иммунитет и др.

 Резюме по главе 1.

На начальном этапе работы, изучив литературу, было выяснено, что железистая вода отрицательно влияет на рост и развитие растении  и на организм человека, вызывая различные заболевания печени и костной системы. Вода с повышенным содержанием железа перед поступлением к потребителю должна быть очищена. Важно знать качество используемой воды и вовремя принимать меры при его ухудшении.

Глава 2.  Исследование свойств водопроводной воды с. Мещерское и выявление источников загрязнения вод в городской водораспределительной сети.

2.1. Методы исследований, использованные в ходе работы над проектом.

В основном в работе использовался метод сравнения и последующего вывода. Во-первых, сравнение методов очистки воды и выбор наиболее оптимального варианта.

Во-вторых, сравнение результатов проращивания семян в зависимости от качества используемой воды.

2.2. Предельно допустимые концентрации железа для питьевой воды. Анализ санитарного состояния водопроводной воды с. Мещерское. Метод измерения  массовой концентрации общего железа с сульфосалициловой кислотой.

Для дальнейшей работы была изучена данные гигиенических нормативов для питьевой воды по запаху, привкусу, цветности, мутности, жесткости и содержанию веществ (аммиака, нитритов, нитратов и проч.). Сравнив данные характеристик питьевой воды по различным параметрам в период с 10.01.08 по 11.10.10 в системе водоснабжения с. Мещерское (по данным ФФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» в городах Пущино, Серпухов, Серпуховском, Чеховском районах),  в водопроводной воде с. Мещерское заметно превышение по ПДК в некоторых пробах.

Таблица 1.Гигиенический норматив (ПДК) для питьевой воды по комплексу показателей (данные ГОСТ и СанПИН)

Жирным выделено ПДК по железу.

Таблица 2. Характеристика питьевой воды по различным параметрам в период с 10.01.08 по 11.10.10 в системе водоснабжения с. Мещерское (по данным ФФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» в городах Пущино, Серпухов, Серпуховском, Чеховском районах.)

* отмечено превышение по ПДК

Данные по содержанию железа были получены в лаборатории ФФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» в городах Пущино, Серпухов, Серпуховском, Чеховском районах методом измерения  массовой концентрации общего железа с сульфосалициловой кислотой. Врач-лаборант Халькина Ирина Александровна на практике показала использование метода в лабораторных условиях.

Метод основан на взаимодействии ионов железа в щелочной среде с сульфосалициловой кислотой с образованием окрашенного в желтый цвет комплексного соединения. Интенсивность окраски, пропорциональную массовой концентрации железа, измеряют при длине волны 400-430нм. Диапазон измерения  массовой концентрации общего железа без разбавления пробы 0,10-2,00 мг/л. В этом интервале суммарная погрешность измерения с вероятностью P=0,95 находится в пределах 0,01-0,03 мг/дм3.

Аппаратура:

фотоколориметр любого типа с фиолетовым светофильтром (λ=400-430нм). Кюветы с толщиной рабочего слоя 2-5см.,

весы аналитические лабораторные, класс точности 1,2 по ГОСТ 24104-2001,

колбы мерные 2-го класса, вместимостью 50,  100, 1000 см3 по ГОСТ 1770,

пипетки мерные без делений вместимостью 1 ,5 и 10 см3 2-го класса по ГОСТ 29169 и ГОСТ 29227,

колбы стеклянные лабораторные  конические номинальной вместимостью 100 см3 типа Ки по ГОСТ 25336,

Реактивы:

аммоний хлористый по ГОСТ 3773,

аммиак водный по ГОСТ 3760, 25 %-ный раствор,

квасцы железоаммонийные по нормативно-техническому документу,

кислота соляная по ГОСТ 3118,

вода, дистиллированная по ГОСТ 6709.

Все реактивы, используемые для анализа, должны быть квалификации химически чистые (х.ч.) или чистые для анализа (ч.д.а.).

Приготовление основного стандартного раствора железоаммонийных квасцов

0,8636 г. железоаммонийных квасцов FeNH4(SO4)2 · 12H2O взвешивают с точностью, не превышающей 0,0002 по шкале весов, растворяют в мерной колбе вместимостью 1 дм3 в небольшом количестве дистиллированной воды. Добавляют 2,00 см3 соляной кислоты плотностью 1,19 г/см3 и доводят до метки дистиллированной водой. 1 см3 раствора содержит 0,1 мг железа.

Срок и условия хранения раствора – по ГОСТ 4212

Приготовление рабочего стандартного раствора железоаммонийных квасцов

Рабочий раствор готовят в день проведения анализа разбавлением основного раствора в 20 раз. 1 см3 раствора содержит 0,005 мг железа.

Приготовление раствора сульфосалициловой кислоты

20 г сульфосалициловой кислоты растворяют в мерной колбе вместимостью 100 см3 в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят этой водой до метки.

Приготовление раствора хлористого аммония молярной концентрацией 2 моль/дм3

107 г NH4Cl растворяют в мерной колбе вместимостью 1 л в небольшом количестве дистиллированной воды и доводят этой водой до метки

Приготовление раствора аммиака (1:1)

100 см3 25 %-ного раствора аммиака приливают к 100 см3 дистиллированной воды и перемешивают.

При массовой концентрации железа не более 2,00 мг/дм3отбирают 50см3 исследуемой воды (при большой массовой концентрации железа пробу разбавляют дистиллированной водой) и помещают в концентрации железа вместимостью 100 см3. Если пробу при отборе не консервировали кислотой, то к 50 см3 добавляют 0,20см3 соляной кислоты плотностью 1,19 г/см3. Пробу воды нагревают до кипения и упаривают до объема 35-40см3. Раствор охлаждают до комнатной температуры, переносят в мерную колбу вместимостью 50 см3, ополаскивают 2-3 раза по 1 см3 дистиллированной водой, сливая эти порции в ту же мерную колбу. Затем к полученному раствору добавляют 1,00 см3 хлористого аммония, 1,00 см3 сульфосалициловой кислоты, 1,00 раствора аммиака (1:1), тщательно перемешивая после добавления каждого реактива.  По индикаторной бумаге определяют pH раствора, которое должно быть ≥9. Если pH менее 9, то прибавляют еще 1-2 капли раствора аммиака (1:1) до pH≥9.

Объем раствора в мерной  колбе доводят до метки дистиллированной водой, оставляют стоять 5 мин. Для развития окраски. Измеряют оптическую плотность окрашенных растворов, используя  фиолетовый светофильтр (λ=400-430нм) и кюветы с толщиной рабочего слоя 2,3 и 5см.,  по отношению к 50 см3 дистиллированной воды, в которую добавлены те же реактивы. Массовую концентрацию общего железа находят по градуировочному графику.

Для построения градуировочного графика в ряд мерных колб вместимостью 50см3 наливают 0,0; 1,0; 2,0; 10,0; 15,0; 20,0 см3 рабочего стандартного раствора, доводят до метки дистиллированной водой, перемешивают и анализируют, как исследуемую воду. Получают шкалу растворов, соответствующим концентрациям железа 0,0; 0,1; 0,2; 1,0; 1, 5; 2,0 мг/дм3.

Строят градуировочный график, откладывая по оси абсцисс массовую  концентрацию железа, по оси ординат – соответствующие значения оптической плотности. Построение градуировочного графика повторяют для каждой партии реактивов не реже одного раза в квартал.

Массовую концентрацию железа (Х) в анализированной пробе, мг/л, с учетом разбавления вычисляют по формуле

X=50∙c/V,

где c – концентрация железа, найденная по градуировочному графику, мг/дм3;

V – объем воды, взятый для анализа, см3;

50 – объем, до которого разбавлена проба, см3.

За окончательный результат принимают среднеарифметическое результатов двух параллельных измерений, допустимое расхождение между которыми не должно превышать 25% при массово         концентрации железа на уровне предельно допустимой. Результат округляют до двух значащих цифр.

Сходимость результатов анализа (А) в процентах вычисляют по формуле

А=2(Р1-Р2)/(Р1+Р2)∙100,

где Р1 – больший результат из двух параллельных измерений;

Р2 - меньший результат из двух параллельных измерений.

2.3. Обнаружение катионов Fe2+ и Fe3+ в водопроводной воде с. Мещерское в школьных условиях.

В качестве реагентов для обнаружения катионов и Fe3+ в воде используется гексацианоферрат (III) калия, красная кровяная соль K3[Fe(CN)6] и роданид калия KSCN соответственно. Это растворимые в воде кристаллические вещества соответственно красно-оранжевого и белого цвета. Комплексы Fe3+  с роданид - анионом SCN- окрашены в интенсивно красный цвет, их образование используется как чувствительный тест для качественного обнаружения и количественного определения катиона Fe3+  в растворах.

       Fe3+ +3SCN- → [Fe(SCN)3].

Для обнаружения катионов Fe2+ используется гексацианоферрат (III) калия, образуя нерастворимое вещество интенсивно синего цвета.

 Fe2+ +[Fe(CN)6]3-←→ [Fe(CN)5]2- +CN-.

 Для обнаружения ионов Fe2+ и Fe3+ была составлена шкала, которая отражает различную концентрацию ионов железа в воде. Для опыта были приготовлены растворы воды со следующими концентрациями железа: 0,24 мг/л; 0,43 мг/л; 0,6мг/л. Был сделан пробный опыт с дистиллированной водой, в которой ионы железа не обнаружились.

При добавлении роданида калия к растворам наблюдалось усиление интенсивности окрашивания раствора по мере увеличения концентрации железа. При сопоставлении пробы фильтрованной питьевой воды с. Мещерское со шкалой по цветовому показателю цвет пробы визуально совпал с цветом пробы дистиллированной воды. Соответственно, в фильтрованной питьевой воде Fe3+ не содержится. А проба с нефильтрованной водой визуально совпала с пробой, содержащей концентрацию железа 0,43 мг/л.

Рис. 1 Шкала цветового показателя различных концентраций Fe3+.

При добавлении красной кровяной соли к растворам также наблюдалось усиление интенсивности окрашивания раствора по мере увеличения концентрации железа. В результате сопоставления пробы фильтрованной питьевой воды с. Мещерское со шкалой цвет пробы визуально совпал с цветом пробы дистиллированной воды. В фильтрованной питьевой воде Fe2+ не содержится. А проба с нефильтрованной водой визуально совпала с пробой, содержащей концентрацию железа 0,43 мг/л.

Рис. 2 Шкала цветового показателя различных концентраций Fe2+.

К сожалению, более точные результаты можно получить только методом титрования раствора, для проведения которого в школе нет необходимого оборудования.

2.4. Причины повышения уровня концентрации железа в надземных водах в Московской области.

Имеется несколько причин возникновения повышенного содержания ионов железа в водозаборах Московской области. Обобщая их, можно выделить такие причины, влияющие на формирование повышенного содержания железа в водозаборных скважинах:

Во-первых, в некоторых местах Московской области имеется естественное повышенное  содержание железа. Например, как в питьевой воде, добываемой из Подольско-Мячковского водоносного горизонта, служащего одним из основных  источником водоснабжения Московского региона. Средняя глубина скважин 90-100м. Водовмещающие породы представлены трещиноватыми, пористыми, местами закарстованными и кавернозными известняками, доломитами и мергелями. Верхним водоупором являются юрские глины, нижним - красноцветные глины ростиславской толщи мощностью 7-10м. Глубина залегания кровли увеличивается в направлении падения слоев. Запас воды Подольско-Мячковском в водоносном горизонте пополняется за счет инфильтрации (просачивания)  атмосферных осадков в местах отсутствия верхнего водоупора, в основном, за пределами Раменского района и перетока из выше- и нижележащих водоносных горизонтов. Подземные воды Подольско-Мячковского горизонта являются типичными водами каменноугольных отложений. Для них характерны слабощелочные рН, повышенная жесткость, относительно низкие концентрации хлора, соединений азота и низкая окисляемость подземных вод, которая связанна с незначительным содержанием органического вещества. [15]

Таблица 3. Характеристика воды по различным параметрам в период с 06.2009 по 06. 2010 в системе водоснабжения с. Мещерское (по данным ФФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» в городах Пущино, Серпухов, Серпуховском, Чеховском районах).

*среднее значение

Во-вторых, в результате техногенных процессов, таких, как сброс в окружающую среду загрязненных стоков от фабрик и заводов, страдают именно подземные воды. Мы этого не замечаем, но часть загрязненной воды просачивается в почву и далее попадает в первый от поверхности водоносный горизонт, меняя химический состав его воды далеко не в лучшую сторону.

В-третьих, в большей части Подмосковья трубы от скважин до потребителя доставляется по старым износившимся трубам. Именно проржавевший металл, придает питьевой воде мутновато-рыжеватый цвет и характерный запах.

В-четвертых, если подземные воды проходят через породы содержащие ионы железа, они становятся железосодержащими.

В-пятых, это деятельность микроорганизмов, которые необходимую для своей жизнедеятельности энергию получают от окислительных реакций неорганических веществ. Такие микроорганизмы называются литотрофными, (от греческих слов lithos камень и trophe питание). К ним относятся и железобактерии, способные разрушать органические комплексы железа, трудно разрушаемые в химических окислительных процессах. Внутри клеток железобактерий образуется окись железа. Количество выделяемой железобактериями гидроокиси во много раз превышает внутриклеточное содержание железа. Способность железобактерий выделять железосодержащий шлам создает проблемы при транспортировании по трубопроводам воды, содержащей растворенное железо и кислород. Железобактерии создают на стенках труб корки и бугорки. К этой части стенок труб доступ кислорода затруднен. Поверхность металла без отложений, превращается благодаря свободному доступу кислорода в оксидную пленку, защищающую металл от коррозийного воздействия. Неоднородности на поверхности труб приводят к возникновению  локальных электрохимических элементов. Оксидная пленка здесь играет роль катода, а металл под корками и бугорками шлама - анода. В результате происходит анодное растворение металла и обогащение воды ионами железа, столь необходимыми в свою очередь для жизнедеятельности железобактерий. [15]

2.5.Экспериментальные исследование влияния водопроводной воды с. Мещерское с высоким содержанием железа на жизнедеятельность растений. Сравнительный анализ всхожести семян при поливе нефильтрованной водопроводной водой с. Мещерское и водой очищенной фильтром марки «Экодар».

Рис.3 Схема опыта:

Первый этап:

Второй этап:

Третий этап:

Мне стало интересно влияние воды с повышенным содержанием железа на прорастание семян, которые мы чаще всего высаживаем на своем участке, и сравнение полученных данные с результатами проращивания семян в фильтрованной воде. Вода была профильтрована с помощью системы реагентного обезжелезивания  EMS R класса «Стандарт» марки «Экодар». В качестве реагента применялся перманганат калия.

Я взяла семена томата и перца, поместила их в чашке Петри, накрыв их кусочками марли. Затем я пронумеровала опыты и залила нефильтрованной водой 50 семян томата (опыт №1) и 50 семян перца (опыт №2) и фильтрованной водой 50 семян томата (опыт №3)  и 50 семян перца (опыт №4). Я вела ежедневные наблюдения, записывая все результаты и фотографируя опыты. Позже я составила диаграмму и ввела в нее все данные (Приложение 1, рис 1). 

Первые проростки появились в фильтрованной воде семян томата (5 шт.) уже на седьмой день. На девятый день их количество увеличилось вдвое (10 шт). На одиннадцатый и двенадцатый день проросло еще по 5 семян в каждый из дней (20 шт.) На следующий день произошел резкий скачок, и количество семян увеличилось на 15 шт. (всего 35 шт.) На двадцать первый день проросли пять семян (40 шт.) Через три дня проросло пять семян. Всего проросло 45 семян из 50.

Первые проростки появились в нефильтрованной воде семян томата (5 шт.) на восьмой день. На следующий день их количество увеличилось вдвое (10 шт.) Их число не изменилось на  десятый день. На одиннадцатый день еще пять семян проросло (всего 15 шт.) Еще пять семян (всего 20 шт.) проросло на тринадцатый день. Всего проросло 25 семян томатов из 50 шт. за 21 день. Остальные семена оказались невсхожими.

 Первые проростки появились в фильтрованной воде семян перца (5 шт.) на двадцать второй день. На следующий день их количество увеличилось вдвое (10 шт). На двадцать третий день еще пять семян проросло (всего 15 шт.)  Всего проросло 15 семян томатов из 50 шт. за 23 день. 35 семян оказались невсхожими.

Первые проростки появились в нефильтрованной воде семян перца (5 шт.) на семнадцатый день. На двадцать пятый день эксперимента появилось еще пять семян, что в итоге составило 10 семян из 50. Остальные 40 шт. не проросли.

Таблица 4. Результаты проращивания семян томата (сорт Ажур F1)  и семян перца (сорт Богатырь) в фильтрованной и нефильтрованной воде.

 Резюме по главе 2.

Во второй части работы были указаны методы исследований, использованные в ходе работы над проектом. Исследовав свойства водопроводной воды с. Мещерское, было выяснено, что в ней действительно превышено содержание железа.  Также было выявлены источники загрязнения вод в городской водораспределительной сети. Был проведен опыт всхожести семян при поливе нефильтрованной водопроводной водой с. Мещерское и водой, очищенной фильтром. Как предполагалось, всхожесть семян в фильтрованной воде оказалась выше, чем в нефильтрованной.

Глава 3. Разработка мероприятий в «Программу комплексного обеспечения безопасного питьевого водоснабжения с. Мещерское Чеховского района Московской области».

3.1. Способы обезжелезивания подземных вод.

3.1.1 Обезжелезивание аэрацией.

 Подземные воды обезжелезивают упрощенной аэрацией (свободным падением воды с высоты 0,4-0,6 м) с последующим фильтрованием через слой зернистого материала. При этом на поверхности зерен выделяется каталитическая пленка соединений железа, ускоряющая обезжелезивание. Метод используют при общем содержании железа до 10 мг/л (в т.ч. Fе2+ - не менее 70%). И сероводорода - до 0,5 мг/л; рН не менее 6,8. При значительном  содержании железа перед фильтрами иногда устанавливают отстойник, где происходят окисление двухвалентного железа в трехвалентное и задерживание на фильтрах образовавшегося Fe(ОН) 3. Аэрация, совмещаемая с подщелачиванием воды Ca(ОН)2 или Na2CO3 и фильтрованием, - универсальный метод, позволяющий удалять железо во всех формах из подземных и поверхностных вод.  Добавление раствора щелочных реагентов в воду осуществляется непосредственно после аэратора. При этом методе из воды может выделяться Fe(OH)2 или FeCO3. В ряде случаев для комплексной очистки воды от железа и других восстановителей, например сероводорода, в нее перед подачей в фильтры вводят окислители - Сl2 и КМnO4. [16]

3.1.2. Применение крупнозернистых фильтров для обезжелезивания воды.

Скорые крупнозернистые фильтры применимы не во всех случаях, но если на них достигается эффект очистки, то они имеют значительные преимущества:

- малые потери напора при фильтровании, в результате чего увеличивается длительность работы фильтров между промывками;

- возможность накапливать большую массу загрязняющих веществ, тем самым также увеличивается продолжительность работы фильтров между промывками. Это, в свою очередь, уменьшает затраты на их промывку и обработку промывной воды;

- при достаточно высокой интенсивности промывки фильтров, загрязнения хорошо удаляются из них, так как большая разница в гидравлической крупности частиц загрязнений и зерен загрузки позволяют обеспечить высокую степень их разделения без потерь фильтрующего материала. Особенно это важно при обезжелезивании воды, так как при плохой промывке фильтров образуются трудноудаляемые соединения железа. [16]

3.1.3. Обезжелезивание воды в напорных фильтрах.

При применении этого метода очистки вода аэрируется в напорном смесителе в трубопровод, перед которым подается воздух от компрессора. Воздух подается от компрессора через ресивер с давлением на 10 - 15 % превышающим давление подаваемой воды. Для поддержания постоянства давления на трубопроводе перед смесителем устанавливается редукционный клапан. К верхней части фильтра подключается воздушная трубка для сброса воздуха и выделяющейся двуокиси углерода, при эксплуатации вентиль на ней постоянно открыт. При содержании железа до 5 мг/л применяют одну ступень фильтрования, более 5 мг/л - две. В двух ступенчатых схемах первый фильтр обычно называют контактным, второй осветлительным, хотя процесс обезжелезивания протекает на обеих ступенях. [16]

3.1.4. Обезжелезивание в двух ступенях открытых фильтров (концентрация железа в пределах 10 - 15 мг/л).

При содержании железа в пределах 10 - 15 мг/л и pH не менее 6.3 - 6.4 более надежное обезжелезивание достигается упрощенной аэрацией и фильтрованием через две ступени открытых фильтров. Первым, по ходу движения воды, применяется фильтр с восходящим движением воды, в котором используются принцип фильтрации воды в направлении убывающей крупности зерен загрузки. Этим достигается повышение грязеемкости фильтра при равных потерях напора. В качестве второго используется обычный скорый фильтр. [16]

3.1.5. Реагентные методы обезжелезивания воды.

Реагентные методы очистки воды от растворенного железа применяются в случаях, когда при опытном обезжелезивании аэрационными методами не удается достигнуть требуемого эффекта. Обычно это происходит при больших концентрациях железа и присутствия его в трудноокисляемых формах. Реагенты в обрабатываемую воду вводятся с целью повышения рН и, тем самым, ускорения гидролиза железа и хлопьеобразования, коагуляции хлопьев, окисления закиси железа. Как правило, в реагентных методах обезжелезивания применяется и аэрация, так как в этом случае уменьшается расход реагентов для подщелачивания и окисления. Для подщелачивания воды наиболее эффективно применение извести, для окисления железа – хлора или озона. Так как в реагентных методах очистки образуется большая концентрация взвешенных форм железа, то, как правило, при применении этих схем проектируется две ступени осветления воды: отстойники - фильтры или осветлители - фильтры. [16]

3.1.6. Метод катионирования воды.

В теплоэнергетике встречаются случаи удаления железа и марганца в процессе катионитового умягчения воды. Этот процесс возможен только при присутствии их в истинно растворенном состоянии, то есть в ионной форме. Подземная вода до поступления на фильтры не должна иметь контакта с воздухом, так как при реакции с кислородом, образуются нерастворимые соединения железа и марганца, отлагающиеся на поверхности зерен катионита, что приводит к снижению его обменной емкости и даже полной потери работоспособности. В качестве загрузки фильтров предпочтительны синтетические катиониты КУ-2, Амберлайт и другие. Для этих катионитов возможно частичное восстановление обменной емкости отмывкой зерен загрузки от оксидов железа трилоном Б, ортофосфорной, щавелевой или лимонной кислотой. Такая отмывка требует больших затрат, поэтому в воде подаваемой на катионитовые фильтры, как правило, допускаются концентрации железа и марганца не более 1 мг/л. Этими значениями определена область применения этого метода, проводить его целесообразно только при необходимости одновременного умягчения воды. [16]

3.2. Возможные варианты фильтров.

Если решили использовать бытовые фильтры для доочистки воды, которые в большом разнообразии имеются в продаже, внимательно читайте инструкцию при приобретении такого фильтра. Вы должны иметь представление о том, что хотите получить от его применения. Ведь стерильная дистиллированная вода не приносит пользы организму.

Очень важен не только выбор, но правильная эксплуатация фильтра в соответствии с прилагаемой инструкцией.

Довольно часто люди делают выбор в пользу бутилированной воды. Здесь внимательно нужно изучать этикетку, насколько полную информацию о данной воде она содержит. Жалобы на качество бутилированной воды были в Управлении, но при расследовании не подтвердились.

3.2.1. Фильтры-кувшины.

Самые простые и удобные в эксплуатации водоочистители - "Фильтры-кувшины". Водоочистители такого типа удаляют из водопроводной воды хлор, известь, тяжелые металлы и другие, вредные для здоровья вещества, но при этом сохраняю в ней полезные минералы и микроэлементы. Кроме того, они не требуют специального подключения и не займут много места на столе. Такой фильтр удобно брать на летнюю дачу, где нет водопровода.

Недостаток такого фильтра - небольшой ресурс картриджа и очень низкая скорость фильтрации, так как вода без напора, а под действием силы тяжести самотеком проходит через фильтрующий модуль. Время фильтрации 1 литра воды составляет 3-4 минуты. Рекомендуемые сроки замены картриджей 1-2 месяца.  Стоимость фильтра в пределах 300-900 руб., а сменный картридж стоит около 80-400 руб. К примеру, фильтр марки «Аквафор» модели «Гарри» имеет объем 3,9 литра, ресурс 300 литров. И стоит 450 руб. Сменный модуль – 150 руб.

3.2.2. Фильтр - насадка на кран.

"Фильтр - насадка на кран" - такая система очистки воды быстро фильтрует воду, удаляя из нее хлор, органические соединения, тяжёлые металлы, нефтепродукты и другие примеси. Небольшая по размеру насадка на кран подключается к крану только на время фильтрации, при больших размерах картриджа, устанавливается на столешницу рядом с краном, а шланг с насадкой на конце крепится на кран. Такой фильтр можно брать в поездки/командировки в те места, где есть водопровод. Ресурс такого фильтра немного больше, чем у фильтров-кувшинов.

Недостаток такого фильтра - небольшой ресурс картриджа, худшее качество очистки воды из-за высокой скорости протока воды. Рекомендуемые сроки замены картриджей 2-3 месяца. Стоимость фильтра в пределах 180-2000 руб., а сменный элемент стоит 60-500руб. Например, «Аквафор» В300 имеет ресурс 1 000 литров, скорость фильтрации 0,3 л/мин. Стоимость такого фильтра  150 руб. Стоимость сменного модуля 120 руб.

3.2.3. Стационарные фильтры.

"Стационарные фильтры" или фильтры, встраиваемые под мойку. Такие фильтры подключаются непосредственно к водопроводу и имеют отдельный краник для чистой воды. Эти системы очитки воды имеют разные ступени фильтрации от 1 до 5. С увеличением ступеней вы получаете более чистую воду. Ресурс такого фильтра от 5000 до 15000 литров чистой воды. Рекомендуемые сроки замены картриджей - каждые 6 месяцев.

Стационарные фильтры с пятью ступенями очистки воды, как правило, включают в себя мембрану обратного осмоса, которая удаляет до 99% всех примесей. Пятиступенчатые фильтры с обратным осмосом можно назвать мини-заводом по производству питьевой воды. Стоимость таких фильтров в пределах 4,5 тыс. руб. Например, «Аквафор» «Кристалл-Соло» имеет ресурс 4000 литров, а скорость фильтрации 1,5 л/мин. Стоимость 1790 руб. Стоимость сменного модуля 440 руб.

3.2.4. Кулеры и диспенсеры.

Для очистки воды в квартире можно установить автоматы для питьевой воды - кулеры и диспенсеры, оснащенные функцией нагрева и охлаждения воды. Наверняка каждый из вас видел их во многих офисах, они еще являются новинкой, но уже завоевали популярность среди сотрудников компаний. Как правило, в большинстве случаев их устанавливают в офисах. Подробности про эти системы очистки читайте в разделе "очистка воды в офисе". Стоимость кулера от 5000 до 26000 руб. Средняя стоимость литра в бутылях для кулеров примерно 20 руб. Например, кулер AEL-3R стоит 7000 руб. Стоимость 18,9 л бутыли марки «Архыз» - 300р.

Резюме по 3 главе.

Проведённый нами анализ фильтров показал, что для повышения качества воды, потребляемой населением из водопроводной сети, рекомендуется:

1. Использовать для личных целей (для бытовых нужд) стационарные фильтры, например фильтры марки «Аквафор», которые отвечают оптимальному сочетанию показателя «цена-качество». То есть обеспечивают необходимый расход питьевой воды (из расчёта для семьи 4 человека он в среднем равен 3 х 4= 12 литров в сутки), относительно не дорогие (4,5 тыс. руб.), простые в обращении, с высоким сроком эксплуатации (более 5 лет).  

2. Для организаций, социальных объектов, например больниц,  школ, выгодно использовать фильтры  с производительностью от 500 литров в сутки (из расчёта для персонала 100 человек расход в среднем равен 3х100=300 литров в сутки). В этом классе фильтров отвечают оптимальному сочетанию показателя «цена-качество», т. е. обеспечивают хорошее качество и необходимый расход питьевой воды фильтры марки «Акватрол» (расход питьевой воды 1000л/сутки). Например, в нашей школе 1100 учеников и сотрудников, покупка фильтра обойдется в 40000 руб.; каждые три месяца необходимо производить замену сменного модуля (стоимость модуля 1000 руб., стоимость работы 2000 руб.). Чтобы обеспечить всех качественной водой (из расчета выше получается, что расход воды будет 3300 л/сутки), необходимо закупить как минимум три таких фильтра общей стоимостью в 120000 руб.

3. Закупка организацией воды для кулеров обойдётся (из расчёта для персонала 100 человек расход в среднем равен 3 х 100 = 300 литров в сутки): 300 литров х 20 руб. ==  6000 руб. в сутки. Для нашей школы, например, закупка воды, обойдется в (для 1100 учеников и сотрудников расход  воды в среднем будет составлять 3х1100=3300 л./сутки.) 3300х20руб=66000 руб. в сутки. Расчет не учитывает затраты на покупку кулера и его обслуживание. Что для школ является не приемлемым, а для коммерческих организаций вполне доступным. По показателю качества и стоимости подходит вода марки «Архыз», стоимость бутыли в 18.9 л. 300руб.

Заключение.

Исследования настоящего проекта были организованы по следующим направлениям:

1. Выявление причин низкого качества питьевой воды водопроводной сети с. Мещерское.

2. Определение экспериментальным путём влияния воды водопроводной сети с. Мещерское с  повышенным содержанием железа на растения.

3. Анализ различных технических средств и способов очистки питьевой воды, которые можно рекомендовать для повышения качества  водопроводной воды с. Мещерское и проведение экономического обоснования разработанных рекомендаций.

По первому направлению работ выяснено, что вода с повышенным содержанием железа отрицательно влияет на рост и развитие растений и на организм человека, вызывая различные заболевания печени и костной системы. Вода с повышенным содержанием железа перед поступлением к потребителю должна быть очищена.

По второму направлению работ выяснено, что причинами повышенного содержания железа в водопроводной воде села Мещерское являются наличие высоких концентраций железа в водах водозаборных скважин особенность географического положения скважины, снабжающей село водой, и высокая степень изношенности труб водораспределительной сети плохое состояние водопроводных труб. А также, в ходе проведенного исследования  всхожести семян в фильтрованной и нефильтрованной питьевой воде централизованного водоснабжения  с. Мещерское были получены следующие результаты: в нефильтрованной воде с повышенным содержанием железа проросло 25 семян томата из 50 и 10 семян перца из 50; в фильтрованной воде проросло 15 семян перца из 50 и 45 семян томата из 50.

Анализ результатов эксперимента, отраженных в таблице 4 и на диаграмме результатов прорастания семян(см. Приложение 1), свидетельствует о том, что в фильтрованной воде всхожесть семян томатов выше на 40 %, а перца на 10%, наглядно продемонстрировано, что прорастание семян и томатов и перца начинается раньше при их поливе фильтрованной водой.

Это позволяет заключить, что:

1. На всхожесть семян оказывает существенное влияние качество используемой воды.

2. Повышенное содержание железа неблагоприятно воздействует на прорастание семян томата и перца. Всхожесть семян в фильтрованной воде действительно намного выше, чем в нефильтрованной.

3. Нефильтрованная вода оказывает негативное воздействие: она снижает всхожесть семян и интенсивность развития растений. Семена томата менее чувствительны к загрязнению воды, чем семена перца.

При ведении сельского хозяйства важно знать характеристики качества (санитарного состояния) воды, используемой для полива растений и своевременно принимать соответствующие меры по устранению причин снижения качества воды.

По третьему направлению работ выяснено, что оптимальными фильтрами являются стационарные фильтры марки «Аквафор».

Для разных организаций нужно применять устройства по очистке воды в соответствии или с учётом их специфики.

В связи с этим для повышения качества воды, потребляемой населением из водопроводной сети, рекомендуется:

1. Использовать для бытовых нужд стационарные фильтры, например фильтры марки «Аквафор», которые отвечают оптимальному сочетанию показателя «цена-качество». То есть, обеспечивают необходимый расход питьевой воды, относительно не дорогие, простые в обращении, с высоким сроком эксплуатации.

2. Для организаций, социальных объектов выгодно использовать фильтры  с производительностью от 500 литров в сутки. В этом классе фильтров отвечают оптимальному сочетанию показателя «цена-качество», т. е. обеспечивают хорошее качество и необходимый расход питьевой воды фильтры марки «Акватрол». Например, в нашей школе 1100 учеников и сотрудников, покупка фильтра обойдется в 40000. руб.; каждые три месяца необходимо производить замену сменного. Чтобы обеспечить всех качественной водой, необходимо закупить как минимум три таких фильтра общей стоимостью в 120000руб.

3. Закупка организацией воды для кулеров обойдётся 6000 руб. в сутки. Для нашей школы, например, закупка воды, обойдется в 66000 руб. в сутки. Расчет не учитывает затраты на покупку кулера и его обслуживание. Что для школ является не приемлемым, а для коммерческих организаций вполне доступным. По показателю качества и стоимости подходит вода марки «Архыз», стоимость бутыли в 18,9 л 300 руб.

В итоге,  исследовав результаты по этим 3-м направлениям, можно с уверенностью заключить, что выдвинутая гипотеза о возможности выявления в процессе эксперимента и снижения путём реализации комплекса мероприятий негативного влияния железистой воды с. Мещерское на состояние и жизнеспособность растений, а также на здоровье населения, подтвердилась.

Список литературы

1. Алексеев С.В., Груздева Н.В., Гущина Э.В. Экологический практикум школьника: Учебное пособие для учащихся.- Самара: Корпорация «Федоров», Издательство «Учебная литература», 2005.- 82-113с. - (Элективный курс для старшей профильной школы)

2. Вода. Санитарные правила, нормы и методы безопасного водопользования населения. Сб. документов, 2-е издание, переработанное и дополненное./ Составители: Ю.А. Рахманин, З.И.

3. Государственный контроль качества воды. – 2-е изд., перераб. И доп. – М: ИПК Издательство стандартов, 2003. – 776 с.

4. Зверев А.Т. Экология. Практикум. 10-11 кл. Учебное пособие для общеобразовательных учреждений/ А.Т. Зверев. Отв. ред. Ю.Б. Королев. - М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21век», 2004. - 66-75с.: ил.

5. Жолдакова, Г. Н. Красовский. - М.: «ИнтерСЭН», 2004.-768с.

6. Охрана природы: Факультативный курс: Пособие для учащихся/ А.В. Михеев, К. В. Пашканг, Н.Н.Родзевич, М П.Соловьева; Под ред. К.В. Пашканга. - 2-е изд., пререраб. - М.: просвещение, 1990. -128 с.: ил., карт.

7. Экологическая книга для чтения [Текст]. 3-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Современные тетради, 2008.

8. Экология Подмосковья [Текст]: Энцикл. пособие. – 5-е изд. – М.: Современные тетради, 2005. – 560 с.

9. Экология. Учебное пособие. - М.: Знание, 1997. - 288с.

10. Журнал учета результатов исследований питьевой воды  централизованного и не централизованного водоснабжения ФФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии» в городах Пущино , Серпухов, Серпуховском и Чеховском районах за 2008 -2010 гг.

Интернет сайты:

11. Влияние катионов железа и свинца на рост и развитие растений, по материалам сайта http://tele-conf.ru/problemyi-zhiznedeyatelnosti-rasteniy-i-zhivotnyih/vliyanie-kationov-zheleza-i-svintsa-na-rost-i-razvitie-rasteniy-2.html

12. http://aquabailer.ru/vodonosnyiy-gorizont.html.

13. Микроудобрения, по материалам сайта http://www.vashsad.ua/plants/room_plants/about_flowers/care/show/7861/

14. Роль элементов в жизни растений, по материалам сайта http://enc.sci-lib.com/article0000909.

15. Факторы изменения качества подземных вод Московской области, по материалам сайта http://www.geolink-consulting.ru/company/confer2/nevech

16. http://www.mega-watt.ru/info/knigi/obeszelesivan.pdf

Приложение 1

Рис. 1

Диаграмма результатов прорастания семян томата (сорт Ажур F1)  и семян перца (сорт Богатырь) в фильтрованной и нефильтрованной воде.

(Опыт №1 томаты прорастали в фильтрованной воде, Опыт №2 томаты - в нефильтрованной воде, Опыт №3 перцы - в фильтрованной воде, Опыт №4 перцы - в нефильтрованной воде).

Поиск способов обезжелезивания подземных вод

Поиск фильтров для обезжелезивания воды

Написание резюме по 3 главе

(краткий вывод о наиболее экономных вариантах фильтрации)

Наблюдение за прорастанием семян в нефильтрованной воде

Закладка опыта

 Написание резюме по 2 главе

 Определение всхожести семян

Методы исследований, использованные в ходе работы над проектом

Анализ санитарного состояния водопроводной воды с. Мещерское

Наблюдение за прорастанием семян в фильтрованной воде

Написание резюме по 1 главе

Выявление роли железа в жизни флоры и фауны

Поиск причин повышения уровня концентрации железа в надземных водах в Московской области

Выявление влияния ионов железа на здоровье человека

Дист. вода

Проба

проба

0,43 мг/л

0,24 мг/л

0,6мг/л

Проба

Дист. вода

0,6мг/л

0,43мг/л

 0,24 мг/л