МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГЛАВНОЕ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ

ВОЕННО-МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

(ВМедА)

Экз.№

№ госрегистрац.

Инв. № ________

УТВЕРЖДАЮ Начальник академии Заслуженный деятель науки РФ, доктор медицинских наук, профессор генерал-майор медицинской службы Б. Гайдар

ВрИД начальника НИЦ ВМедА доктор медицинских наук профессор полковник медицинской службы		С. Пелешок
ВрИД начальника НИО питания и водоснабжения НИЦ ВМедА кандидат медицинских наук полковник медицинской службы		В. Майдан
Научный руководитель ВрИД заместителя начальника НИО питания и водоснабжения НИЦ ВМедА кандидат медицинских наук майор медицинской службы
Ответственный исполнитель старший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения НИЦ ВМедА кандидат биологических наук		Е. Сорокалетова

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2002

СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ

Научный руководитель работы|: ВрИД заместителя начальника НИО питания и водоснабжения кандидат медицинских наук майор медицинской службы
Ответственный исполнитель: старший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения кандидат биологических наук		Е. Сорокалетова (реферат, введение, 18.03.2002г. разделы 1, 2, 3, заключение)
		Е. Гвардина
Младший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения		Е. Кравченко (раздел 1)
Младший научный сотрудник НИО питания и водоснабжения		И. Коновалова
Доцент кафедры ОВГ кандидат медицинских наук		В. Нарыков 18.03.2002г. (раздел 1, реферат, введение, заключение)
Начальник научно-исследовательского отдела доктор медицинских наук профессор полковник медицинской службы		С. Матвеев

РЕФЕРАТ

Отчет - 77 стр., 1 кн., 20 табл., 146 ист.

КАЧЕСТВО ВОДЫ, ОЧИСТКА ВОДЫ, ПРИРОДНЫЕ

МИНЕРАЛЬНЫЕ СОРБЕНТЫ

Объектом исследования являлись природные минеральные сорбен­ты (ПМС), перспективные для применения в процессах очистки и кон­диционирования воды: шунгит, кремень, глауконитовый известняк.

Цель работы

При проведении НИР современными биологическими и физико-хи­мическими методами показано, что ПМС эффективно очищают воду от загрязнений. Для очистки воды от ионов тяжелых металлов наиболее перспективными ПМС оказались кремень и глауконитовый известняк. Их эффективность превосходит активированный уголь (АУ) и шунгит.

Все изученные ПМС удаляют фенол из воды в концентрации до 50 ПДК. При более высоких концентрациях фенола эффективность шунгита выше, чем кремня и глауконитового известняка при всех пара­метрах модельной воды.

ПМС очищают воду от избыточного содержания ионов железа, причем шунгит по эффективности превосходит АУ, кремень и глауконитовый известняк в 2 раза.

ПМС имеют выраженные сорбционные свойства в отношении бакте­рий Е. соli штамм К12, спор В. subtilis и С. реrfringes, снижая со­держание микробных агентов не менее, чем в тысячу раз.

Шунгит проявляет специфическую активность в устранении из воды частиц радикальной и ион-радикальной природы, значительно превосходя в этом отношении как кремень и глауконитовый извест­няк, так и АУ (в 56, 36 и 31 раз соответственно).

Вода, обработанная ПМС, улучшает свое качество за счет глубо­кой очистки от химических загрязнений, снижения токсичности, а также повышает биологическую активность за счет обогащения эссенциальными макро - и микроэлементами.

Технологии и очистные устройства, использующие ПМС не уступая, а в ряде случаев превосходя по эффективности АУ, на порядок дешевле по себестоимости. Россия располагает мощной сырьевой базой ПМС, что делает их использование перспективным в водоочистке.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

	активированный уголь
	всемирная организация здравоохранения
	индекс загрязненности воды
	поверхностно-активные вещества
	предельно-допустимая концентрация
	природные минеральные сорбенты
	хлорорганические пестициды

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................
1. КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И СПОСОБЫ ЕГО УЛУЧШЕНИЯ (Выбор направления исследований) .......................................
1.1. Качество воды водоисточников............................................
1.2. Существующие и перспективные способы улучшения качества воды...............................................................................
1.3. Природные минеральные сорбенты - перспективные материалы в процессах улучшения качества воды......................................
1.3.1. Углеродсодержащие породы - шунгиты.................
1.3.2. Кремнеземные и кремнистые породы....................
1.3.1. Карбонатные породы........................................
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...............................
3. ЭКОЛОГО-ГИГИЕНИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ.........................................................
3.1. Влияние природных минеральных сорбентов на органолептические свойства воды.............................................
3.2. Влияние природных минеральных сорбентов на химический состав воды.....................................................................
3.2.1. Неорганические токсиканты.......................................
3.2.2. Органические токсиканты.........................................
3.3. Влияние природных минеральных сорбентов на микробиологичекие показатели воды....................................
3.4. Токсико-гигиеническая оценка воды, прошедшей фильтрацию через фильтры, содержащие природные минеральные сорбенты.........................................................................
3.5. Биологическое действие воды, активированной кремнем..............
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность настоящего исследования связана с усилением антропогенного и техногенного влияния на биосферу в Российской Федерации /1-7/.

Наибольший пресс экотоксичности испытывает водная среда, яв­ляясь конечным резервуаром большинства загрязняющих веществ. За последние 30 лет изменилась структура использования воды, что вы­разилось в резком увеличении социальной составляющей водопользо­вания. Доля хозяйственно-питьевого водоснабжения выросла с 9% в 1970 г. до 21% в 1999 г. /8/. В связи с этим реально существует проблема качества питьевой воды, определяемая загрязнением при­родной воды, неудовлетворительной очисткой ее на водопроводных станциях, вторичным загрязнением в разводящих сетях. В сложившей­ся на сегодняшний день ситуации наиболее перспективным подходом к обеспечению населения РФ и личного состава ВС качественной пить­евой водой является применение средств и методов дополнительной очистки и подготовки воды в месте использования, в том числе, в местах дислокации сил армии и флота /9/.

В настоящее время водоочистка становится одним из самых распространенных технологических процессов. Этим определяется особенная актуальность вопроса удешевления очистки питьевой, тех­нической и сточных вод. В этой связи весьма перспективным предс­тавляется применение природных сорбентов, месторождения которых имеются на территории РФ. В литературе появляется все больше со­общений об эффективности применения природных сорбентов для уда­ления из воды дисперсных примесей, нефти и нефтепродуктов, по­верхностно-активных веществ, красителей, радиоактивных загрязне­ний и др. /10÷16/.

Сегодня при использовании природных сорбентов для удаления из воды указанных веществ, как правило, господствует эмпирический подход, что затрудняет проведение технологических процессов в оп­тимальных условиях.

В этой связи необходима разработка научных основ использова­ния природных сорбентов в водоподготовке, для чего следует сумми­ровать имеющиеся сведения об их применении, а также наметить ра­циональные пути их использования в конкретных технологических процессах водоочистки.

Цель работы заключалась в экспериментальной оценке эффектив­ности использования природных минеральных сорбентов для очистки и кондиционирования воды.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Оценить эффективность природных минеральных сорбентов в процессах очистки питьевой воды от химических и микробиологичес­ких загрязнений.

2. Изучить токсико-гигиенические показатели воды, прошедшей очистку на природных минеральных сорбентах (ПМС).

3. Изучить биологическое действие воды, прошедшей очистку на ПМС.

4. Оценить возможность применения ПМС для индивидуальной и коллективной доочистки питьевой воды.

Настоящая работа выполнена в НИЛ перспективных технологий очистки воды НИО питания и водоснабжения НИЦ Военно-медицинской академии с января 2000 по март 2002 года в соответствии с Дирек­тивой ГВМУ МО РФ № 000/7/4/3979 от 05.08.99 г.

В НИР нашли свое развитие исследования, проводившиеся в Во­енно-медицинской академии в 1993 ÷ 2001 годах и получившие отраже­ние в ряде отчетов, статей и монографии /17÷24/.

1. КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ И СПОСОБЫ ЕГО ЛУЧШЕНИЯ (Выбор направления исследований)

1.1. Качество воды водоисточников

По данным Государственного водного кадастра наиболее расп­ространенными загрязняющими веществами поверхностных вод суши яв­ляются нефтепродукты, фенолы, хлорорганические пестициды (ХОП), легкоокисляемые органические вещества, соединения меди и цинка. В некоторых районах обнаруживаются комплексы никеля, аммонийный и нитритный азот , а также специфические поллютанты, характерные для отдельных производств - лигнин, лигносульфонаты, ксантогенаты, метилмеркаптан, анилин /25/.

В последние годы на фоне некоторого снижения валового объема водоотведения прослеживается тенденция к увеличению удельного ве­са сбрасываемых в водные объекты неочищенных сточных вод /8/. По данным Минприроды общий объем загрязненных сточных вод, сбрасыва­емых в водоемы составляет 28 км3/год, из них нормативно очищенных только 10% (2,8 км3). В коммунальном хозяйстве очищается только 13% стоков. В водоемы страны ежегодно сбрасывается 1000 т цинка, 700 т никеля, 150 т меди и хрома и 120 т кадмия. Данного коли­чества токсикантов достаточно для загрязнения более 500 км3 воды, что сопоставимо с годовым стоком рек России /26÷28 /.

В ряде мест среднегодовая концентрация загрязняющих веществ превышает 5 ПДК по трем и более показателям (в р. Неве - д. Новосаратовка, р. Нарве - г. Иван-город, р. Онеге - с. Порог, р. Сев. Двине - с. Усть-Пинега) /25/.

В водохранилище Пролетарское - Ростовская обл ., р. Пелымма, р. Обь и др. среднегодовая концентрация нефтепродуктов, фенолов, соединений меди составила не менее 30 ПДК /25/.

Случаи экстремально высокого уровня загрязненности воды наб­людались в р. Пуртсе (фенолы 213÷240 ПДК), р. Косьве (соединения железа - 157 ПДК, соединения меди - 160 ПДК), р. Чусовой (соедине­ния хрома - 720 ПДК), Братском вдхр. (метилмеркаптан - 300-500 ПДК), р. Клязьме (нефтепродукты - 176 ПДК), р. Охинке (нефтепродукты - 120 ПДК) /25/.

Особую опасность представляют аварийные ситуации на произ­водствах, когда в воду попадают вредные вещества в концентрациях до 1000 ПДК /29, 30/.

Сельскохозяйственное производство также вносит свой вклад в загрязнение водоисточников.

Из общего количества применяемых в сельском хозяйстве ХОП 1÷5% поступают в поверхностные воды, около 5% мигрируют в нижние горизонты почвы и подземные воды. Наиболее высокий уровень загрязнения воды ХОП отмечен в бассейнах Волги, Оби, Амура, Урала, Днепра, Терека, Пясины. Высокие концентрации ХОП отмечены в водных объектах не только зон интенсивного земле­делия и производства ХОП, но и в районах, где их применение от­сутствовало или было минимальным, что свидетельствует о глобаль­ном распространении ХОП /31/.

Большинство водных объектов РФ служат источниками питьевого водоснабжения, поэтому рост загрязненности природных вод все бо­лее обостряет проблему обеспечения населения доброкачественной питьевой водой /7/.

Обследование водозаборов городов показало, что для некоторых из них характерно загрязнение воды, классифицируемое как "высо­кое" и "чрезвычайно высокое". Особая опасность возникает там, где загрязнение обусловлено наличием высокотоксичных соединений (Томский, Тюменский, Курганский водозаборы) /29/.

Проблемы с обеспечением питьевой водой существуют и в Севе­ро-Западном регионе РФ. Источником водоснабжения населения Санкт-Петербурга и части Ленинградской области служит Ладожское озеро. В то же время в Ладожское озеро поступают сточные воды от предприятий промышленности и агропромышленного комплекс а огромных территорий (Ленинградской, Псковской, Новгородской, Тверской, Ар­хангельской и Витебской областей , республики Карелии и части Фин­ляндии). Общий объем загрязненных сточных вод, поступающих в озеро, составляет 400 млн. м3 в год. Стоки содержат более 600, из ко­торых 300 - токсичны. В результате состояние озерной экосистемы приблизилось к критическому /32/.

Под влиянием хозяйственной деятельности, ведущейся на бере­гах Ладожского озера и его водосборе, водоем к середине 80-ых годов XX века перешел из олиготрофного в мезатрофное состояние. При сохранении антропогенной нагрузки на современном уровне озеро может в ближайшие десятилетия превратиться в эвтрофный водоем, что будет иметь катастрофические последствия для водоснабжения Санкт-Петербурга. Уже сейчас река Нева, являясь практически единственным источником питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга, загрязнена на всем протяжении. Даже у истока в результате эвтрофирования Ладожского озера наблюдается повышенное содержание токсикантов. Превышение ПДК установлено по нефтепродуктам, свинцу, кадмию, кобальту, никелю, хрому, цинку, мышьяку, бериллию, тита­ну, ртути /33 ÷ 35/.

Кроме того, Нева является важной транспортной артерией и ни­чем не защищена от техногенных аварий. Так, в результате аварии с нефтеналивным танкером в устье Невы осенью 1999 г. мазутом была загрязнена вся акватория реки, а на дне создалось депо токсичных веществ /24/.

Стремительное ухудшение качества воды Ладожского озера, про­должающееся поступление загрязненных сточных вод, определяют ка­чество поступающей в Санкт-Петербург невской воды. Класс качества воды в фоновом створе в 2 км выше города снизился и они характе­ризуются как IV класс ("загрязненные"). Увеличение индекса заг­рязненности воды (ИЗВ) произошло в основном за счет возростания среднегодовых концентраций летучих фенолов. Так, концентрация фе­нолов в фоновом створе составила 7 ПДК, а в целом по р. Неве - 10 ПДК. Наибольшая загрязненность вод фенолами наблюдалась в устье Невы: в пробах, отобранных в феврале, июне и августе. Их концент­рации составили 40÷50 ПДК /ЗЗ/. Максимальная концентрация фенолов (70 ПДК) была зафиксирована в водах Невы в створе, расположенном ниже впадения р. Ижоры.

Воды Невы загрязнены медью и марганцем почти во всех ство­рах. Так, среднегодовые концентрации составляют: меди - 4,7÷6,45 ПДК, марганца - 1,1÷3,3 ПДК. Максимальная концентрация меди (19 ПДК) зафиксирована в одном из самых грязных створов, расположен­ном ниже впадения р. Охты, марганца (9,5 ПДК) - в устье Невы /36/.

Хроническое действие токсических веществ на водные системы в регионе проявляется повсеместно. Идет интенсивное накопление токсикантов в гидробионтах и их передача по пищевым цепям. По данным ГосНИОРХ в Волховской губе Ладожского озера у 70÷80% особей сига, судака, леща, плотвы и ерша наблюдаются токсикозы, достигающие по степени выраженности 2÷4 баллов. В этом же районе ткани 20÷60% исследованных рыб имеют запах нефтепродуктов. В Свирской губе от­равления отмечались у 50÷60% рыб. Хронические интоксикации заре­гистрированы у 30÷60% рыб из устьевого участка р. Видлица. У рыб наблюдаются выраженные необратимые патологические изменения в жизненно важных органах: кардиомиопатия, гиперемия мозга, зернис­тая дистрофия печени, новообразования в различных органах. Отмеча­ется высокая гибель и нарушения в развитии молоди /36/.

Вследствие вышеизложенного, более надежным источником водос­набжения являются подземные воды /37÷39/. Качество подземных вод определяется двумя группами факторов: геологическими и антропогенными. Первая группа факторов обусловливает качество подземных вод, связанное с составом водовмещающих пород, физико-химически­ми условиями их формирования и циркуляции, степенью защищенности водоносных горизонтов перекрывающими глинистыми экранами от по­верхностного загрязнения. Вторая группа факторов связана со сте­пенью техногенной нагрузки, условиями хозяйствования и наличием очагов загрязнения /40/. В настоящее время загрязнение гидросферы коснулось не только поверхностных водоисточников, но и подземных вод. В результате попадания в них различных коммунальных отходов, веществ с крупных свалок химических отходов и т. д. (особенно в районах концентрации предприятий газо-нефтедобывающей промыш­ленности) /41÷44/.

Использование подземных вод в Северо-Западном регионе отста­ет от среднеевропейских показателей, хотя регион располагает не­обходимыми для этого водными ресурсами. Естественное качество подземных вод в регионе чрезвычайно разнообразно - от ультрапрес­ных вод с недостаточным содержанием ряда компонентов до слабоми­нерализованных вод, находящихся на грани возможного использования для питьевых целей /43, 44/.

Подземные воды обладают цельм рядом специфических особенностей. С одной стороны они способны самоочищаться, с другой - аккумулируют и распространяют загрязняющие элементы на значительные расстояния. Водоносные горизонты Северо-Западного региона в раз­ной степени защищены от поверхностного загрязнения. Наряду с ра­йонами, где они перекрыты водоупорными отложениями, и, тем самым, защищены от загрязнений (Карельский перешеек, девонское поле Ле­нинградской области и т. д.), выделяются районы с практически незащищенными водными ресурсами (Карелия, Ижорское плато). Особенно значительно подземные воды загрязнены на территории Гатчинского, Волосовского, Ломоносовского, Сланцевского, Кингисепского райо­нов, где широкое развитие получили трещинно-карстовые подземные воды, обладающие слабой степенью защищенности от агентов загряз­нения с поверхности /43, 44/.

Для улучшения водоснабжения городов и других населенных пунктов предлагаются следующие долгосрочные мероприятия /14/:

Улучшение состояния и обеспечение соблюдения режимов зон санитарной охраны и водоохранных зон источников питьевого водос­набжения;

Усиления контроля качества воды в источнике водоснабжения, создание системы автоматического и оперативного контроля, разра­ботка методик и средств определения более широкого спектра и комплексных показателей загрязненности воды в источнике;

Разработка и внедрение адресной программы по ликвидации основных источников загрязнения водного источника;

Создание системы автоматического контроля за сбросом заг­рязнений;

Разработка мероприятий по снижению влияния поверхностного стока на водоисточник;

Разработка математической модели водного источника с уче­том гидрохимических данных и биохимических процессов самоочище­ния, с целью прогнозирования качества воды при изменении входных параметров, увеличении или снижении сбросов загрязнений, авариях и в других ситуациях;

Определение приоритетных водоохранных мероприятий с их технико-экономической оценкой на основе математического моделиро­вания различных ситуаций;

Выбор вариантов альтернативных водозаборов, увеличение числа водозаборных сооружений;

Использование дополнительных источников для водоснабжения города, в частности, подземных вод.

Все эти мероприятия требуют для своего осуществления значи­тельных материальных ресурсов достаточного временного интервала.

1.2. Существующие и перспективные способы улучшения качества воды

Централизованное водоснабжение большинства населенных пунктов России преимущественно ведется из поверхностных водоисточни­ков, характеризующихся высоким уровнем загрязнения /45/.

Существующие сооружения водоподготовки и применяемые технологические процессы часто уже не в состоянии обеспечить требуемое качество питьевой воды, поскольку рассчитаны на уровни загрязнения поверхностных вод, существовавшие 40÷50 лет назад и, в основном, направлены на улучшение прежде всего органолептических и микроби­ологических показателей качества воды.

В отечественном хозяйственно-питьевом водоснабжении используются типовые технологические схемы очистки: в зависимости от степени загрязненности исходной воды - двухступенчатая (отстойни­ки или осветлители со слоем взвешенного осадка - на первой ступе­ни и скорые фильтры - на второй ступени) или одноступенчатая (контактные осветлители или прямоточные фильтры) /45, 46/. Рассматривая эти схемы с современных позиций, можно отметить их не­достаточную надежность и эффективность. В первую очередь это обусловлено тем, что в их применяются устаревшие сооружения и реагентные методы очистки. Применяемые технологии очищают воду, в основном, от дисперсных частиц. Молекулярно растворенные вещества и ионы остаются в воде. Таким образом, многие токсичные вещества не улавливаются на водоочистных сооружениях и попадают в водопро­водную сеть /47/.

Необходимо отметить, что существующие технологические схемы способны оказывать негативное воздействие. Так, применяемые в хо­де водоподготовки для обеззараживания воды процедуры хлорирования и озонирования, в случае наличия в воде органических соединений, приводят к появлению высокотоксичных веществ.

В результате хлорирования воды, содержащей гуминовые вещест­ва фенольной природы, образуются хлорфенолы, хлороформ и даже диоксины /48, 49/. Появление в питьевой воде токсичных продуктов озонирования - формальдегида, бензальдегида, ацетальдегида, также может быть обусловлено физико-химическими характеристиками природных вод. Озонирование воды, в которой присутствуют пестици­ды, может привести к появлению более токсичных и стабильных недоокисленных эпоксидов с ненасыщенными двойными связями. Например, элдрин окисляется до диэлдрина, гептахлор до гептахлорэпоксида /50/.

Исследование содержания хлорорганических соединений в водо­заборе г. Питкяранта и г. Приозерск (Ладожское озеро) и в водопро­водной воде показало, что в процессе водоподготовки (хлорирова­ния) в 39 раз возросла концентрация хлороформа, в 5 раз - четы­реххлористого углерода, в 4,5 раза - 1,2-дихлорэтана, в 4,4 раза - тетрахлорэтана, в 8,3 раза - хлорбензола, появились трихлорэтан и трихлорфенол (табл.1.) /48/.

Таблица 1.

Вещество	Водозабор, мкг/л	Питьевая вода, мкг/л	ПДК, мкг/л
Хлороформ
Четыреххлорис­тый углерод
1,2-дихлорэтан
Трихлорэтан
Тетрахлорэтан
Бромдихлорэтан
Трихлорфенол
Хлорбензол

Примечание: ВОЗ - всемирная организация здравоохранения

Методы улучшения качества питьевой воды подразделяются на:

1. Основные – осветление и обесцвечивание, обеззараживание

2. Специальные – умягчение, обезжелезивание, опреснение, фторирование, обесфторивание и др.

4.1. Основные методы.

Целью основных методов обработки питьевой воды является улучшение органолептических (осветление и обесцвечивание) и бактериологических (обеззараживание) показателей.

4.1.1. Осветление, обесцвечивание.

Под осветлением воды понимают удаление взвешенных веществ. Обесцвечивание воды – устранение окрашенных коллоидов или истинно растворенных веществ. Осветление и обесцвечивание воды достигается методами отстаивания, фильтрования через пористые материалы и коагулирования. Очень часто эти методы применятся в комбинации друг с другом, например, отстаивание с фильтрованием или коагулирование с отстаиванием и фильтрованием.

Отстаивание.

С помощью отстаивания можно достичь освобождения воды лишь от крупных взвешенных частиц диаметром не менее 0,1-0,01 мм. Более мелкие частицы практически не оседают. Для их удаления требуется проводить коагулирование. В составе большинства сооружений водопроводных станций имеются специальные бассейны непрерывного действия, называемые отстойниками. Принципом работы отстойника является замедление скорости движения воды при переходе из узкого русла трубы в широкое русло бассейна (с 1 м до нескольких мл в секунду). Движение воды настолько замедляется, что оседание взвеси происходит в условиях, близким тем, какие создаются при ее полной неподвижности. При этом мелкие частицы нередко агломерируют (укрупняются) и также приобретают способность к оседанию. В зависимости от направления движения воды различают горизонтальные и вертикальные отстойники.

Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный, вытянутый в направлении движения воды резервуар, снабженный приспособлениями для сообщения воде ламинарного течения. Дно горизонтального отстойника имеет наклон в сторону входной части, где находится приямок для сбора осадка. Осветляемая вода поступает через водосливной лоток и далее через дырчатую перегородку с одной из торцовых сторон отстойника, а выходит с другой торцовой стороны через дырчатую перегородку и затем через лоток. Обычно отстойник разбивают на ряд параллельно работающих коридоров шириной не более 6 м, расчетная скорость движения воды составляет 2 – 4 мм/с. В отстойнике частица взвеси находится под действием двух взаимно перпендикулярных сил: скорости выпадения по вертикали и скорости движения вод, увлекающей частицу в горизонтальном направлении. В результате действия этих сил частица либо опускается на дно или выносится из отстойника.

Вертикальный отстойник - резервуар конической или пирамидальной формы. В центре резервуара помещается металлическая труба, в верхнюю часть которой поступает осветляемая вода. Пройдя ее сверху вниз, осветляемая вода поступает в зону осаждения, которую проходит по всему ее сечению снизу вверх с небольшой скоростью.

Осветленная вода переливается через борт отстойника в круговой желоб. Осадок, накапливающийся в нижней части отстойника, периодически (1-2 раза в сутки) удаляют. В вертикальных отстойниках скорость воды составляет 0,4 – 0,6 мм/с и время прохождения 4 – 8 часов. Преимуществом вертикальных отстойников является малая площадь.

Недостатком метода отстаивания является: медленность, и увеличение объема отстойников для удлинения времени осаждения, кроме того, наиболее мелкая взвесь не успевает осесть и коллоидные вещества совсем не выделяются.

Рис.1 Вертикальный отстойник

В военно-полевой практике, особенно при длительном пребывании войск на одном месте, метод отстаивания может применяться в виде устройства небольших запруд и искусственных водоемов, имеющих сообщение с рекой.

При длительном отстаивании, которое не редко происходит в естественных природных условиях (пруды, водохранилища), наблюдается не только увеличение прозрачности, но и снижение цветности и количества микроорганизмов (по Хлопину на 75-90%),

Коагулирование.

Сущность процесса коагуляциисостоит в том, что вещества, находящиеся в воде в коллоидном состоянии, свертываются, образуют хлопья и выпадают в осадок. Осветление воды коагулированием применятся, прежде всего, с целью освобождения ее от мутности и цветности, обусловленных коллоидными взвесями. Коагуляция происходит под влиянием химических реагентов – коагулянтов, в качестве которых применяют соль алюминия А1 2 (SО 4) 3 * 18Н 2 О, сернокислое железо FeSO 4 * 7Н 2 О и хлорное железо FеС1 3 * 6Н 2 О.

Вода, обладающая значительной цветностью и мутностью, представляет собой полидисперсную систему, содержащую электролиты, коллоидные частицы (главным образом гуминовые кислоты и их соли) и грубодисперсные примеси. Коагулянты, будучи растворены в воде, подвергаются гидролизу с образованием труднорастворимых гидратов окисей хлопьевидной структуры.

Al 2 (SO 4) 3 + 3Ca(HCO 3) 2 = 2 Al(OH) 3 + 3Ca SO 4 + 6 CO 2

Al 2 (SO 4) 3 + 3Mg(HCO 3) 2 = 2 Al(OH) 3 + 3Mg SO 4 + 6 CO 2

При взаимодействии положительно заряженного коллоида гидрата окиси алюминия с отрицательно заряженными коллоидами воды происходит потеря заряда, приводящая к агломерации коллоидных частиц и выпадению их в осадок.

Рыхлые хлопья самого коагулянта обладают огромной активной поверхностью (десятки квадратных метров на 1г осадка), на которой сорбируются коллоидные частицы и более грубые взвеси (последние в большей мере захватываются механически), и оседают вместе с ними на дно, осветляя воду.

На эффективность коагуляции влияют активная реакция и щелочность воды, интенсивность перемешивания, количество грубой взвеси, температура воды. Для вод различного состава должны подбираться разные дозы коагулянта.

Для ускорения процесса коагуляции применяют флоккулянты – высокомолекулярные синтетические соединения. Применение флокуллянтов позволяет ускорить процесс коагуляции, увеличить скорость восходящего движения воды в осветлителях со слоем взвешенного осадка, уменьшить время пребывания воды в отстойниках за счет увеличения скорости осаждения хлопьев, увеличить скорость фильтрования и продолжительность фильтроцикла.

Фильтрование воды.

Производится с целью освобождения ее от взвешенных частиц, обуславливающих мутность. Наряду с этим на фильтре частично задерживаются микроорганизмы, некоторые ядовитые и радиоактивные вещества, снижаются цветность, окисляемость воды.

Фильтры классифицируют по скорости фильтрования – медленные (0,1-0,3 м/ч) и скорые (5-10 м/ч), по направлению фильтрующего потока – одно- и двух поточные, по числу фильтрующих слоев – одно- и двухслойные.

Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой железобетонный резервуар, заполненный фильтрующим материалом в два слоя. Фильтрующий слой выполняют из материала, обладающего достаточной прочностью (кварцевый песок, антрацитовая крошка, керамзит). Поддерживающий слой служит для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия. Он состоит из слоев гравия или щебня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм.

Фильтрование воды осуществляется двумя принципи­ально отличающимися друг от друга методами. Пленочное фильтрование предполагает образование пленки из ранее задержанных примесей воды в верхнем слое фильтру­ющей загрузки. Вначале вследствие механического осаж­дения частиц взвеси и их прилипания к поверхности зерен загрузки уменьшается размер пор. Затем на поверхности песка развиваются водоросли, бактерии и пр., дающие начало илистому, состоящему из минеральных и органиче­ских веществ осадку (биологическая пленка). Образова­нию пленки способствуют малая скорость фильтрации, большая мутность воды, значительное содержание фито­планктона. Пленка достигает толщины 0,5-1 мм и больше.

Биологическая пленка играет решающую роль в работе так называемых медленных фильтров. Помимо задержа­ния мельчайшей взвеси, пленка задерживает бактерии (уменьшая их количество на 95-99%), обеспечивает сни­жение окисляемости (на 20-45%) и цветности (на 20%) воды. Медленные фильтры, отличающиеся простотой устройства и эксплуатации, были первыми очистными сооружениями городских водопроводов в нача­ле XIX века. В дальнейшем, в связи с ростом водопотребления и мощностей водопроводов, они уступили место скорым фильтрам, преимуществом которых является большая производительность и меньшая площадь, что важно в условиях современного города.

Медленные фильтры сооружают с загрузкой фильтру­ющего слоя из кварцевого песка высотой 800-850 мм и поддерживающего слоя гравия или щебня высотой 400- 450 мм. Скорость фильтрации составляет 0,1-0,3 м/ч. Профильтрованная вода собирается дренажной системой, расположенной на дне фильтра. Очистка фильтра произво­дится через 10-30 суток вручную, путем снятия верхнего слоя песка толщиной 15-20 мм и подсыпки свежего. После очистки фильтра фильтрат в течение нескольких дней, до образования биологической пленки, идет на сброс.

Скорые фильтры устроены несколько сложнее. Они имеют специальную подготовку чистой воды для промывания под напором и латки для сбора и отведения промывной воды. Вода на скорые фильтры должна подаваться как правило после коагуляции. Фильтрующая пленка создается очень быстро, главным образом за счет хлопьев коагулянтов. Скорость фильтрации достигает 5-7 м/ч, то есть в 50-70 раз больше, чем в медленных фильтрах. Это обстоятельство позволяет фильтровать большие количества воды через сравнительно небольшие фильтрующие площади. Объемное фильтрование, осуществляемое на скорых фильтрах, является физико-химическим процессом. При объемном фильтровании механические примеси воды про­никают в толщу фильтрующей загрузки и адсорбируются под действием сил молекулярного притяжения на повер­хности ее зерен и ранее прилипших частиц. Чем больше скорость фильтрования и чем крупнее зерна загрузки, тем глубже проникают в ее толщу загрязнения и тем равно­мернее они распределяются.

Высота слоя воды над поверхностью загрузки долж­на быть не менее 2 м. В процессе работы фильтра вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои и через распределительную систему направляется в резервуар чистой воды. По окончании производится промывка фильтра. При увеличении сопротивления больше допустимой величины фильтрующая пленка снимается промыванием чистой водой, пускаемой в фильтр снизу вверх под напором. Такое промывание приходится делать 1-2 раза в сутки в зависимости от степени мутности фильтруемой воды.

Промывку производят обратным током чистой профильтрованой воды путем ее подачи под необходимым напором в распределительную систему. Промывная вода, проходя с большой скоростью (в 7-10 раз большей, чем скорость фильтрования) через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и очищает ее. Продолжительность промывки скорых фильтров 5-7 мин.

В фильтрах с двухслойной загрузкой над слоем песка диаметром частиц 0,5-1,2 мм 0,4-0,5 м насыпается также слой дробленого антрацита или керамзита размером частиц 0,8-1,8 мм. В таком фильтре верхний слой, состоящий из более крупных зерен, задерживает основную массу загрязнений, а песчаный - их остаток, прошедший через верхний слой. Плотность антрацита (керамзита) меньше плот­ности песка, поэтому после промывки фильтра послойное расположение загрузки восстанавливается самостоятель­но. Скорость фильтрации в двухслойном фильтре 10- 12 м/ч, что в 2 раза больше, чем в скором.

Контактный осветлитель , как и скорый фильтр, за­гружен гравием и песком, но совмещает в себе процессы коагу­ляции, осветления и фильтрации воды.

Вода подается снизу через распределительную систему из дырчатых труб вместе с раствором коагулянта, и хлопья образу­ются в толще загрузки (см. рис. 64, в). Такой вид коагуляции получил название контактной в отличие от обычной, протекаю­щей в свободном объеме.

Контактная коагуляция имеет отличия от объемной: образо­вание хлопьев при соприкосновении с зернистой загрузкой про­исходит гораздо быстрее и к тому же при меньших дозах коагу­лянта. Хлопья фиксируются на поверхности зерен и адсорбируют на себе взвесь. В слое гравия задерживается более крупная взвесь, что снижает заиливание песка, толщина слоя песка – 2м - вдвое больше обычных скорых фильтров, что еще более повышает грязеемкость и удлиняет время между промывками. Промывная вода подается, как обычно, снизу вверх и удаляется по желобам. Скорость фильтрации -4-5 м/ч. Взвесь успешно задерживается при первоначальном ее содержании не более 150 мг/л.

Основное преимущество контактных осветлителей состоит в том, что отпадает необходимость в отстойниках и камерах реак­ций.

4.1.2. Обеззараживание.

Под обеззараживанием воды понимается в первую очередь освобождение ее от патогенных микроорганизмов.

Способы обеззараживания питьевой воды условноподразделяют на безреагентные (физические), реагентные (химические), механические и комбинированные.

К физическим способам относится использование ультрафиолетового и ионизирующего излучения, ультразвуковых колебаний, термической обработки.

К химическим способам относится хлорирование, озонирование, использование препаратов серебра, меди, йода и некоторых других реагентов.

К механическим способам относится использование различных фильтров.

Физические методы.

Температура.

Для термического обеззараживания питьевой воды используют открытое пламя (в том числе и высокотемпературную плазму), горячий воздух, перегретый пар. Наиболее часто применяют кипячение воды.

Кипячение в течение нескольких минут освобождает воду от вегетативных форм микроорганизмов, разрушает различные бактериальные эндо – и экзотоксины, инактивирует вирусы. Споры инактивируются за более длительное время: для возбудителя сибирской язвы оно составляет 10 мин., столбняка – около 1 часа, Cl. Botulinum – 1 – 5 ч.

Кипячение воды как метод ее обеззараживания имеет ряд важных преимуществ:

1. простота контроля за эффективностью обработки,

2. доступность, надежность и быстрота обеззараживания,

3. независимость бактерицидного эффекта от физико-химических показателей обеззараживаемой воды,

4. отсутствие заметного влияния на физико-химические и органолептические свойства воды,

5. возможность автоматизации,

Кнедостаткам способаотносятся:

1. дороговизна в силу значительных затрат электроэнергии или топлива

2. малая производительность

3. кипяченая вода имеет высокую температуру и так называемый «вялый» вкус, получающийся вследствие удаления из воды растворенных в ней газов и уменьшения жесткости. Однако едва ли следует считать эти особенности кипяченой воды ее недостатками. В холодное время года, например, высокая температура, наоборот, является положительным свойством, да и в жаркое время многие жители восточных стран предпочитают пить горячий чай. Что касается «вялого» вкуса, то остуженную кипяченую воду трудно отличить по вкусу от не кипяченой.

4. Кипяченая вода легко подвергается вторичному микробному загрязнению, т. к. отсутствует эффект последействия и конкурирующие сапрофиты, а температура воды долго остается благоприятной для роста микроорганизмов.

В силу экономических и технологических трудностей кипячение рассматривают как способ обеззараживания индивидуальных (групповых) запасов питьевой воды в домашних условиях, на автономных объектах и транспорте, при сложной эпидемической обстановке.

Ультрафиолетовое излучение.

Благотворное действие солнечного света на воду было известно еще в глубокой древности. В одной из санскритских книг («Усрута Сангита»), написанной за две тысячи лет до нашей эры, сказано: «Хорошо держать воду в медных сосудах, выставлять ее на солнце и фильтровать через древесный уголь». Однако объяснение причин благоприятного действия света на воду стало возможным лишь после открытия микроорганизмов и изучения влияния на них солнечного света. В дальнейшем было установлено, что максимальное бактерицидное действие оказывает ультрафиолетовый участок спектра, в особенности лучи с длиной волны от 250 до 260 нм (область С). Чувствительность микроорганизмов к УФИ в этом диапазоне хорошо изучена и определяется по дозе излучения, которая обычно измеряется в мДж/см 2 или мВт*с/см 2 . Доза, обеспечивающая 90% инактивацию E.coli, составляет 3 мДж/см 2 .

УФИ оказывает бактерицидное, вирулицидное и спороцидное действие. Микроорганизмы по чувствительности к УФИ располагаются в следующем порядке: вегетативные бактерии > вирусы > бактериальные споры > цисты > простейшие. Следовательно, вирусы более устойчивы к УФИ, чем вегетативные формы бактерий, и среди них вирусы, содержащие двухнитевую ДНК, более устойчивы, чем вирусы с однонитевой ДНК. Для эффективного заключительного обеззараживания воды УФ-установки должны обеспечивать дозу облучения не менее 16 мДж/см 2 .

Гибель микроорганизмов под действием УФИ с длиной волны 250-260 нм происходит за счет необратимых повреждений бактериальной ДНК. Основными мишенями при этом являются азотистые основания нуклеотидов – пурины и пиримидины. УФИ в области 280 – 400 нм также способно индуцировать фотодеструктивные реакции в ДНК. В результате обработки УФИ наряду с ДНК повреждаются РНК, мембранные и белковые структуры бактериальной клетки.

В последние годы появились сообщения об образовании в воде под действием УФИ своднорадикальных продуктов, которые усиливают бактерицидное действие этого физического фактора.

Преимущества метода:

6. широкий спектр антибактериального действия;

7. отсутствие опасности передозировки;

8. короткая экспозиция, исчисляемая несколькими секундами;

9. УФИ не денатурирует воду, не изменяет её запах и вкус;

10. способ не требует реакционных емкостей, отличаясь высокой производительностью и простотой эксплуатации;

11. улучшение условий труда обслуживающего персонала, так как исключается из обращения вредные химические вещества (хлор);

12. экономическая рентабельность, способ по стоимости сравним с хлорированием;

13. эффективность обеззараживания не зависит от рН и температуры воды;

14. установки УФ-обеззараживания компактны, работают в проточном режиме, надежны в отношении техники безопасности.

К недостаткам методаследует отнести отсутствие надежного способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания и большое влияние физико-химических свойств воды на эффект обеззараживания.

Цветность, мутность снижает бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей, вид микроорганизмов, их количество, доза облучения также влияют на бактерицидный эффект. Кроме того, эффективная доза УФИ зависит от тип установки и, следовательно, необходимо проверять эффективность работы оборудования в каждом конкретном случае.

К числу негативных особенностей способа относится и возможность осаждения содержащихся в воде гуминовых кислот, железа и солей марганца на кварцевом чехле ламп, что уменьшает интенсивность излучения.

Обеззараживание УФИ не имеет эффекта последействия, что делает возможным вторичный рост бактерий в обрабатываемой воде. Реактивация микрофлоры возникает в тех случаях, когда интенсивность УФИ ниже необходимого уровня, обработанная вода подвергается вторичному загрязнению или последующему облучению видимым светом (фотореактивация). Наряду с фотореактивацией возможна и фотозащита – возрастание устойчивочти к действию коротковолнового УФИ у микроорганизмов, предварительно облученных длинноволновым УФ-светом.

Ультразвук.

Особенностью УЗК является большая интенсивность колебаний, что обуславливает его физико-химическое и биологическое действие. Единой теории, объясняющей бактерицидное действие УЗК в воде, до настоящего времени не существует. Одни считают, что биологическое действие УЗК обусловлено механическими колебаниями в результате ультразвуковой кавитации, другие, наряду с механическим воздействием, подчеркивают роль химических реакций, вызванных влиянием данного физического фактора.

УЗК оказывают губительное действие на самые разнообразные микроорганизмы – патогенные и непатогенные, анаэробные и аэробные, вегетативные и споровые, а также разрушают продукты и их жизнедеятельности.

Эффективность бактерицидного действия УЗК зависит от целого ряда обстоятельств: параметров УЗК (интенсивности, частоты колебаний, экспозиции); некоторых физических особенностей озвучиваемой среды (температура, вязкость); морфологических особенностей возбудителя (размеров и формы бактериальной клетки, наличия капсулы, химического состава мембраны, возраста культуры).

Мутность до 50 мг/л и цветность воды, а также содержание в ней различных химических элементов (железо, марганец), обычно снижающих бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей, заметного влияния на бактерицидный эффект ультразвуковых колебаний не оказывает.

Преимущества метода:

1. широкий спектр антимикробного действия

2. отсутствие отрицательного влияния на органолептические свойства воды

3. независимость бактерицидного действия от основных физико-химических параметров воды

4. возможность автоматизации процесса

Недостатки метода:

1. отсутствие последействия и метода оперативного контроля за эффективностью обеззараживания

2. процесс обеззараживания в 2-4 раза более дорогой, чем обработка УФИ

3. трудность конструирования установок большой производительности, отличающихся надежностью в эксплуатации и приемлемой себестоимостью.

Теоретические, научные и технологические основы использования УЗК до настоящего времени не разработаны, поэтому возникают трудности при определении оптимальной интенсивности колебаний и их частоты, времени озвучивания и других параметров процесса.

В качестве источника УЗК используют различные пьезоэлектрические и магнитострикционные генераторы.

Ионизирующее излучение.

g- излучение оказывает выраженное бактерицидное действие. Доза g – лучей порядка 25000 – 50000 Р вызывает гибель практически всех видов микроорганизмов, а доза 100000 Р освобождает воду от вирусов. Механизм действия связан с повреждающим действием на бактериальные клетки и вирусы свободнорадикальных продуктов, образующихся в результате радиолиза воды.

Преимущества метода:

1. большая проникающая способность g – лучей

2. независимость бактерицидного действия от химического состава и физических свойств воды

3. отсутствие влияния на органолептические показатели

4. относительная дешевизна.

Недостатки метода:

1. строгие требования к технике безопасности для обслуживающего персонала

2. ограниченное число источников излучения

3. отсутствие последействия и способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания.

В литературе имеются сообщения о возможности использования для обеззараживания воды и некоторых других физических факторов: электромагнитных полей, лазерного излучения, вакуумирования. До настоящего времени изучение этих способов находится на стадии лабораторных исследований.

Химические методы.

Химические методы обеззараживания воды основаны на применении различных соединений, обладающих бактерицидным действием. Эти вещества должны отвечать определенным требованиям, а именно: не делать воду вредным для здоровья; не изменять ее органолептических свойств; оказывать надежное бактерицидное действие (в малых концентрациях и в течение короткого времени контакта); быть удобными в применении и безопасными в обращении, стойкими при длительном хранении; производство их должно быть дешевым и доступным.

Существующая практика обеззараживания питьевой воды показывает негативные стороны данного метода, проявляющиеся в токсическом действии как самих обеззараживающих реагентов, так и побочных продуктов реакции, дающих канцерогенный, мутагенный и ряд других неблагоприятных эффектов.

Следует заметить, что до сих пор веществ, полностью удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, найти не удалось. В большой степени им отвечают хлор и его препараты, чем и можно объяснить их широкое распространение в практике коммунального водоснабжения.

Наряду с хлором и его препаратами применяются или применялись и другие вещества, например, озон, йод, перекись водорода, препараты серебра, органические и неорганические кислоты и т. д.

Хлорирование и озонирование получили широкое распространение на очистных сооружениях водопроводов, в то время как остальные методы нашли применение при обеззараживании небольших объемов воды на автономных объектах, в полевых и экстремальных условиях водоснабжения.

Обеззараживание хлором.

Наиболее часто для хлорирования воды на водопроводах ис­пользуют газообразный хлор, однако применяют и другие хлорсодержащие реагенты. В порядке возрастания окислительно-вос­становительного потенциала они располагаются в следующем по­рядке: хлорамины (RNHC1 2 и RNH 2 C1), гипохлориты кальция и натрия [Са(ОС1) 2 ] и NaOCl хлорная известь (ЗсаОС1 СаО 5Н 2 О), газообразный хлор, двуокись хлора ClO 2 . В последние годы внедряется электрохимический способ обеззараживания природных вод.

Бактерицидный эффект хлорирования объясняется, в основ­ном, воздействием хлора на различные структуры микроорганизма: цитоплазматическую мембрану, белки цитоплазмы, ядерный аппарат клетки. Хлор уничтожает ферменты дыхательной цепи бактерий – дегидрогеназы, блокируя SH – группы.

При диссоциации хлора образуется хлорноватистая кислота, которая и оказывает бактерицидное действие.

С1 2 + Н 2 О – НОС1 + НС1

Бактерицидным свойством обладает также гипохлорит-ион и хлор-ион, которые образуются при диссоциации хлорноватистой кислоты:

НОС1->ОС1- + Н +

ОС1 àС1 – + О

Степень диссоциации НОС1 возрастает при повышении активной реакции воды, таким образом, с повышением рН бактерицидный эффект хлорирования снижается. Действующим началом при хлорировании хлорамином и гипохлоритами является гипохлорит-ион, а двуокисью хлора НСЮ 2 – хлористая кислота, которая имеет наиболее высокий окисли­тельно-восстановительный потенциал, в силу чего при исполь­зовании двуокиси хлора достигается наиболее полное и глубо­кое окисление и обеззараживание.

При введении хлорсодержащего реагента в воду основное его количество – более 95 % расходуется на окисление органических и легкоокисляющихся (соли двухвалентного железа и марганца) неорганических веществ, содержащихся в воде, на соединение с протоплазмой бактериальных клеток расходуется всего 2-3 % общего количества хлора.

Количество хлора, которое при хлорировании 1 л воды расхо­дуется на окисление органических, легкоокисляющихся неорга­нических веществ и обеззараживание бактерий в течение 30 ми­нут, называется хлорпоглощаемостью воды. Хлорпоглощаемость определяется экспериментально, путем проведения пробного хло­рирования.

По окончании процесса связывания хлора содержащимися в воде веществами и бактериями в воде начинает появляться ос­таточный активный хлор. Его появление, определяемое титрометрически, является свидетельством завершения процесса хло­рирования. Остаточный хлор – это активный, не прореагировавший за установленное время избыточный хлор. Величина остаточного хлора должна составлять 0,3-0,5 мг/л, что является гарантией эффективности обеззараживания.

Кроме того, наличие активного остаточного хлора необхо­димо для предотвращения вторичного загрязнения воды в раз­водящей сети. Таким образом, наличие остаточного хлора явля­ется косвенным показателем безопасности воды в эпидемичес­ком отношении.

Общее количество хлора, необходимое для удовлетворения хлорпоглощаемости воды и обеспечения наличия необходимого количества (0,3-0,5 мг/л свободного активного хлора при нор­мальном хлорировании и 0,8-1,2 мг/л связанного активного хлор­а при хлорировании с аммонизацией) остаточного хлора называется хлорпотребностью .

Хлорирование характеризуется широким спектром антимикробного действия в отношении вегетативных форм микроорганизмов, экономичностью, простотой технологического оформления, наличием способа оперативного контроля за процессом обеззараживания.

Хлорирование имеет и ряд существенных недостатков: хлор и его препараты являются токсичными соединениями, поэтому работа с ними требует строго соблюдения техники безопасности. Хлор воздействует в основном на вегетативные формы микроорганизмов, при этом грамположительные формы бактерий более устойчивы к его действию, чем грамотрицательные. Имеются данные о реактивции микроорганизмов в хлорированной питьевой воде, появлении хлорустойчивых штаммов. Для получения гарантированного бактерицидного эффекта прибегают к хлорированию заведомо избыточными дозами хлора, что ухудшает органолептические показатели и приводит к денатурации воды.

Эффективность обеззараживающего действия хлора и его препаратов зависит от биологической характеристики микроорганизма (вид, штамм, плотность заражения). Спороцидный эффект проявляется при относительно высоких концентрациях активного хлора (200-300 мг/л0 и экспозиции от 1,5 до 24 часов. Вирулицидное действие хлорсодержащих препаратов – гибель вирусовнаблюдается при концентрации активног хлора от 0,5 до 100 мг/л. Высокорезистентными к действию хлора являются также цисты простейших и яйца гельминтов.

Кроме того, эффективность обеззараживания зависит от химического состава воды и экспозиции. Различные химические вещества антропогенного происхождения могут существенно влиять на эффективность процесса обеззараживания. Например, поверхностно-активные вещества препятствуют реализации бактерицидного эффекта хлора и даже проявляют стимулирующее действие, вызывая размножение микрофлоры.

В последние годы в литературе появились сообщения о возможности образования в воде после хлорирования галогенсодержащих соединений (ГСС). Источником наибольшего количества ГСС в воде являются гуминовые кислоты, фульвокислоты, хиноины, производные фенола, анилина, а также продукты метаболизма водорослей. На процесс образования ГСС в водной среде оказывает влияние реакционная способность и концентрация органических соединений, форма и доза хлора. ГСС обладает выраженным общетоксическими свойствами, а также дают отдаленные эффекты – эмбриотоксический, мутагенный, канцерогенный.

Методы хлорирования :

1.Хлорирование нормальными дозами .

Доза хлора устанавливается экспериментально по сумме величин хлорпоглощаемости и нормы остаточного хлора (хлорпотребности воды) путем проведения опытного хлорирования. Хлорирование нормальными дозами является наиболее часто применяемым методом на водопроводных станциях. Минимальное время контакта воды с хлором при хлорировании составляет летом не менее 30 минут, зимой – 1 часа.

Этапы хлорирования:

· определение хлорпотребности воды.

· расчет необходимого количества хлора для обеззараживания воды.

· контроль эффективности хлорирования путем определения количества остаточного хлора в воде.

Преимущества:

· малый расход хлора

· не изменяются органолептические свойства воды.

Недостатки:

· трудно выбрать рабочую дозу хлора.

2.Гиперхлорирование – хлорирование избыточными дозами хлорсодержащими соединениями, заведомо превышающими хлорпотребность воды. Гиперхлорирование применяется в неблагоприятной эпидемиологической обстановке, при отсутствии или неэффективной работе водоочистных сооружений, в полевых условиях, при отсутствии возможности проведения пробного хлорирования для определения хлорпотребности, при невозможности обеспечить достаточное время контакта с хлором.

Преимущества:

· создает возможность надежного обеззараживания мутных, цветных, сильнозагрязненных и зараженных вод

· сокращается время обеззараживания до 10-15 минут

· упрощается техника хлорирования, т.к. нет необходимости проводить опытное хлорирование

Доза хлора определяется ориентировочно в зависимости от вида водоисточника, качества воды (мутности, цветности), степени её загрязнения и опасности в эпидемическом отношении. Дозы хлора при гиперхлорировании для воды хорошо оборудованных колодцев, при хороших органолептических свойствах воды – 10 мг/л, при пониженной прозрачности колодезной воды, воды рек или озер (прозрачной и бесцветной) – 15 мг/л, при сильном загрязнении воды любого водоисточника и при использовании воды из источников непитьевого назначения (вода искусственных прудов и запруд) – 25-20 мг/л. В неблагоприятной эпидемиологической обстановке доза хлора может быть увеличена до 100 мг/л.

По истечении необходимого времени контакта избыточное количество остаточного хлора удаляют путем дехлорирования воды тиосульфатом натрия или фильтрацией через активированный уголь.

Недостатки:

· большой расход препаратов хлора

· необходимость проведения дехлорирования

3.Хлорирование с преаммонизацией

Этот метод применяется в случае обнаружения в воде поверхностных водоисточников фенолов, попадающих туда с промышленными сточными водами. При взаимодействии хлора с фенолом образуются стабильные хлорфенольные соединения, придающие воде резкий аптечный запах и привкус, что делает воду непригодной для питья и ограничивает использование других способов хлорирования. При хлорировании с преаммонизацией в воду вначале вносится аммиак, образующий амины, а затем хлор, вступающий в реакцию с аминами с образованием хлорамина, который и оказывает бактерицидное действие. Образующиеся хлорамины не взаимодействуют с фенолами из-за более низкого окислительно-восстановительного потенциала и хлорфенольный запах не возникает. К недостаткам метода можно отнести то, что хлораминный хлор проявляет бактерицидный эффект в 2 раза медленнее, чем свободный хлор, и обладает более низким окислительно-восстановительным потенциалом, поэтому время хлорирования увеличивается и количество остаточного связанного хлора должно составлять 0,8 – 1,2 мг/л.

Данный способ хлорирования может применяться при необходимости транспортировки воды по трубопроводам на большие расстояния. Это обусловлено тем, что остаточный связанный (хлораминный) хлор обеспечивает более длительный бактерицидный эффект, чем свободный.

Наиболее лучшим соотношением аммиака и хлора считается 1:4, при котором образуется монохлорамин, наиболее эффективно предотвращающий появление запаха. Уже образовавшийся запах аммонизация не устраняет.

4.Двойное хлорирование .

Хлор подается в воду первый раз в смеситель перед отстойниками, а второй – после фильтров. Хлор перед отстойниками ослабляет защитные свойства коллоидов, облегчая процесс коагуляции, и позволяет уменьшить дозу коагулянта. Кроме того, он подавляет рост бактерий, засоряющих песок на фильтрах, и делает более успешным повторное заключительное хлорирование. Двойное хлорирование применяют в тех случаях, когда бактериальная загрязненность речной воды высока или подвержена значительным колебаниям. Повторное обеззараживание служит дополнительной гарантией надежности эпидемиологической безопасности воды.

Обеззараживание озоном.

Озон (О 3) является сильным окислителем; его окислительный потенциал (+1,9 В) превышает потенциал хлора (+ 1,359 В). Окислительные свойства озона связаны с атомарным кислородом, который выделяется при его разложении. Атомарный кислород является одним из наиболее сильных окислителей и уничтожает бактерии, споры, вирусы, разрушает растворенные в воде органические вещества. Механизм бактерицидного действия озона до настоящего времени остается предметом дискуссии. Одни авторы считают, что озон инактивирует бактериальные ферменты, приводя к нарушению обменных процессов и гибели микробной клетки. Другие предполагают, что под действием озона происходят значительные изменения структуры и морфологии бактерий, а также необратимые изменения в бактериальной ДНК.

Озон получают из воздуха в специальных приборах – озонаторах – при помощи электрических разрядов высокого напряжения. Озонированный воздух подается в стерилизационные баки, где происходит перемешивания его с водой, подлежащей обеззараживанию. Расход озона колеблется в очень широких пределах – от 2 до 17 мг/л и выше. Количество остаточного озона не должно превышать 0,2-0,5 мг/л. Более высокие концентрации вызывают усиленную коррозию металлических частей (труб) водопроводной системы.

Озонирование нашло применение на кораблях торгового и Военно-Морского Флота и других объектах с автономным водоснабжением.

Озонирование имеет ряд существенных преимуществ перед хлорированием. Основными из них являются:

1) более высокий бактерицидный и спороцидный эффект. Обеззараживающее действие озона в 15-20 раз, а на споровые формы бактерий примерно в 300-600 раз сильнее действия хлора. Озон эффективен при уничтожении простейших.. Высокий вирулицидный эффект озона отмечается при реальных для практики водоснабжения концентрациях 0,5 – 0,8 мг/л и экспозиции 12 минут.

2) избыток озона в отличие от хлора не денатурирует воду;

3) озон можно использовать и для дезодорации питьевой воды, удаления токсических органических веществ;

4) выработка озона на месте из воздуха, в связи с чем отпадает необходимость в сырье, его транспортировке и хранении.;

5) наличие способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания;

6) отработанные технологические схемы получения реагента;

7) минеральный состав, щелочность, рН воды остаются без изменений.

Недостатками метода пока еще остаются относительно высокая стоимость обработки воды (примерно в 2 раза больше по сравнению с хлором) и большая зависимость бактерицидного действия от физико-химических свойств воды (мутности, цветности, наличие органических веществ и других восстановителей) и технологических параметров процесса.. Так, например, для обеззараживания коагулированной и фильтрованной невской воды требуется 2-3 мг/л озона, а для фильтрованной, но не коагулированной – 17-20 мг/л. Кроме того, озон является взрывоопасным и токсичным для человека реагентом, что требует строгого соблюдения техники безопасности и надежного оборудования на станциях водоподготовки. Озон быстро распадается в обработанной воде (20 – 30 минут), что ограничивает его применение в качестве конечного дезинфицирующего средства. После озонирования нередко наблюдают значительный рост микрофлоры, объясняя его как реактивацией бактерий, так и вторичным загрязнением обработанной воды. Имеются данные, что даже высокие концентрации озона (20 мг/л) и длительная экспозиция (1,5 – 2 часа) не обеспечивали полного эффекта обеззараживания в отношении бактериальных спор. При обработке воды озоном могут образовываться побочные токсические продукты. К ним относятся броматы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, другие гидроксилированные и алифатические ароматические соединения. Данные вещества могут вызывать мутагенный и другие неблагоприятные эффекты. Если в схеме обработки воды после озонирования применяется хлорирование, то возможно образование из побочных продуктов озонирования тригалометанов – известных канцерогенов и мутагенов.

Обеззараживание перекисью водорода.

Перекись водорода (Н 2 О2) является сильным окислителем, причем акцептором так же, как и у озона, служит атомарный кислород. Из-за трудности получения в больших количествах и дороговизны перекись водорода широкого применения в практике водоснабжения не приобрела.

Предположительно основным механизмом антибактериального действия перекиси водорода является образование супероксидных и гидроксильных радикалов, которые могут оказывать либо прямое цитотоксическое действие, либо опосредованное, приводящее к повреждению ДНК.

Перекись водорода обеспечивает обеззараживание воды без образования токсичных продуктов, загрязняющих внешнюю среду. Реагент не изменяет органолептических свойств воды и значительно снижает ее цветность (до 50%), что весьма ценно для обеззараживания окрашенных вод. К числу недостатков метода относятся: необходимость введения катализаторов для ускорения высвобождения атомарного кислорода и жидкая форма препарата.

Обеззараживание ионами серебра.

По современным представлениям, ионы серебра сорбируются клеточной оболочкой и после достижения избыточной концентрации проникают в микробную клетку. Ионы серебра блокируют функциональные группы основных ферментных систем клетки, расположенных в цитоплазматической мембране или в периплазматическом пространстве.

Практически метод обеззараживания серебром может быть применен для обеззараживания и консервации небольших объемов воды на объектах с автономными системами водоснабжения.небольших индивидуально-групповых запасов воды.

Наибольшее применение получило использование электролитического или анодорастворимого серебра. Метод основан на растворении серебряного электрода (анода) при пропускании постоянного тока через обеззараживаемую воду. Электролитическое введение реагента позволяет автоматизировать процесс обеззараживания воды, а образующиеся при этом на аноде ионы гипохлорита и перекисных соединений усиливают бактерицидное действие анодорастворимого серебра.

Положительными сторонами обеззараживания воды серебром являются неизменяемость ее органолептических свойств. Серебро оказывает выраженное последействие, что позволяет консервировать воду на срок до 6 месяцев и более, что особенно важно в тех случаях, когда возникает необходимость в длительном хранение воды (оборонительные сооружения, корабли ВМФ). К достоинствам способа относится автоматизация процесса и точного дозирования реагента.

К недостаткам метода следует отнести трудность дозировки, медленное и ненадежное бактерицидное действие, а также сильное влияние на бактерицидный эффект физико-химических свойств воды, особенно содержания в ней хлоридов. Серебро является дорогим и весьма дефицитным реагентом. Серебро не оказывает спороцидного действия, но прорастание спор в присутствие ионов серебра задерживается. Вирулицидное действие ионов серебра проявляется только при высоких концентрациях – 0,5 – 10 мг/л. Необходимый бактерицидный эффект при концентрации серебра 0,06 – 0,1 мг/л достигается после экспозиции 2-6 ч, а в ряде случаев – через 24 часа. Возможно развитие устойчивости к серебру у патогенных микроорганизмов. Эффективными рабочими концентрациями серебра являются 0,2 – 0,4 мг/л. Вместе с тем ПДК в воде этого металла, установленная по токсикологическому признаку вредности, составляет 0,05 мг/л. Хотя некоторые исследователи сообщают об отсутствии отрицательного влияния серебра в концентрации 0,2 – 2,0 мг/л на организм лабораторных животных и культуру тканей, в «Руководстве по контролю качества питьевой воды» ВОЗ подчеркивается, что такое содержание серебра является небезразличным для здоровья человека.

Обеззараживание ионами меди.

Медь, как и серебро, являясь олигодинамическим металлом, оказывает инактивирующее действие на бактерии и вирусы, но в больших концентрациях, чем серебро.

По мнению некоторых авторов, ионы меди нарушают барьерные функции бактериальных мемебран, что ведет к изменению их проницаемости. Другие считают, что токсическое действие ионов меди связано со взаимодействием с SH-группами бактериальных белков и ферментов, приводящим к образованию дисульфидных связей. Возможен и обратный процесс – восстановление SH-группы веществами, генерируемыми клеткой в процессе ее жизнедеятельности. В этом случае действие ионов меди можно определить как бактериостатическое. Инактивация микроорганизмов медью протекает медленнее. Чем свободным хлором или хлорамином. На эффективность обеззараживания воды медьюв лияют физико-химические показатели качества воды.

Обеззараживание препаратами йода

Механические методы.

В процессе фильтрации за счет абсорбционных и адгезионных механизмов, явлений сорбционного взаимодействия микроорганизмов с различными материалами происходит очистка воды от бактериальных и вирусных агентов. Ультрафильтрация, сорбционная и мембранная технологии находят в последние годы все большее применение в практике водоподготовки, так как данные методы высокоэффективны при освобождении воды от патогенных микроорганизмов, вирусов, простейших.

Достоинства метода:

1. метод не ухудшает физико-химические показатели обрабатываемой воды;

2. простой, экономичный и доступный в эксплуатации;

Существует мнение, что фильтрационные и сорбционные способы сами по себе не обеспечивают необходимого уровня очистки воды от микроорганизмов. Поэтому только сочетание этих способов с химическими обеззараживающими реагентами позволяет достигнуть нужных результатов. Хотя имеются данные о росте бактерий на фильтрах, а импрегнация в используемые фильтры серебра дает ограниченный эффект. По этой причине «Руководство по контролю качества питьевой воды» ВОЗ (1994) настоятельно рекомендует использовать фильтры только для питьевой воды, безопасной в микробиологическом отношении.

Комбинированные методы.

Недостатки традиционных способов обеззараживания питьевой воды заставляют исследователей искать новые, основанные, как правило, на комбинированном действии двух или нескольких факторов. В комбинации могут присутствовать только химические агенты или физические факторы, предлагаются также физико-химические способы.

В качестве комбинированных химических способов рассматриваются использование хлора и озона, препаратов хлора с перекисью водорода, ионами серебра и меди, перекиси водорода с озоном, ионами серебра и меди и т. д. Данные технологии предполагают снижение концентрации применяемых реагентов, уменьшение времени обработки воды при неизменном, а в ряде случаев и более выраженном антимикробном эффекте.

Для обеззараживания питьевой воды предлагаются комбинированные физические способы, в частности сочетание УФИ и УЗК, термическая обработка с УЗК или g – излучением, комплекс электрических воздействий. Характерными недостатками комбинированных физических способов являются отсутствие последействия и способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания воды.

В последнее время большое внимание уделяется физико-химическим способам обеззараживания питьевой воды. Особенный интерес вызывает сочетание УФИ с химическими дезинфектантами. Предлагается совместное использование УФИ с ионами серебра и меди, возможно использование УФИ с хлором и перекисью водорода, УЗК с хлором. Помимо получения более высокого антимикробного эффекта, таким образом можно устранить один из недостатков УФИ – отсутствие последействия.

Установлено, что в результате предварительного введения в воду окислителей (озона, перекиси водорода) и последующей ее обработки УФИ образуются свободные радикалы, которые в свою очередь являются более мощными окислителями. При совместном действии УФИ и окислителей отмечено значительное усиление скорости и степени инактивации бактерий по сравнению с действием каждого агента в отдельности.

Среди других перспективных физико-химических способов обеззараживания, находящихся на стадии лабораторных исследований, можно отметить: воздействие постоянного электрического поля с ионами серебра и меди, УЗК с перекисью водорода или хлором, лазерное излучение с ионами меди.

4.2. Специальные методы.

Обезжелезивание.

Повышенное количество железа встречается, как правило, в глубоких подземных водах и реже в поверхностных и грунтовых водах.

Повышенное содержание железа в воде не угрожает вредными последствиями для здо­ровья, но железо придает воде специфический (чернильный, металлический) привкус, делает ее мутной и цветной, оставляет ржавые пятна на белье. Кроме того, выпадение железа в осадок уменьшает, а размножение железобактерий может и полностью закрыть просвет в трубах небольшого диаметра.

Обезжелезивание подземных вод проводится безреагентными аэрационными методами. В основе методов лежит предварительная аэрация воды с целью удаления свободной углекислоты и сероводорода, повышения рН, обогащения кислородом воздуха, последующего образования гидроксида железа и удаления из воды осаждением или фильтрованием.

В подземной воде железо большей частью содержится в виде двууглекислых солей Fe(НСОз) 2 . Это - нестойкое соединение, легко гидролизуется:

Fe(HCO 3) 2 +2Н 2 О→Fe(OH) 2 +2Н 2 СО,
Н 2 СО 3 → Н 2 О + СО 2 .

Гидрат закиси железа Fe(OH) 2 остается в растворе, а при соприкосновении на поверхности с воздухом обогащается кисло­родом, окисляется и переходит в нерастворимый гидрат окиси - Fe(ОН) 3 , выпадающий в осадок:

4 Fe(OH) 2 + 2 Н 2 О + О 2 → 4 Fe(OH) 3

Искусственная аэрация усиливает этот процесс, и реакция идет тем успешнее, чем выше рН воды. Аэрация производится в брызгальном бассейне на градирне или компрессором; после образования хлопьев гидрата окиси железа воду освобождают от них в отстойниках и на скорых фильтрах. Обезжелезивание поверхностных вод проводится реагентными методами. В качестве реагентов выступают сульфат алюминия, известь и хлор.

Умячение.

Умягчение – снижение природной жесткости воды.

Проводится разными способами, но принципиальная сторона умягчения воды одна: удаление катионов кальция (Са 2+) и магния (Mg 2+).

Методы умягчения делятся на: а) реагентные, б) ионного обмена или катионитовые, в) нагревания.

а) из реагентных методов наиболее распространен известково-содовый.

Известь, внесенная в воду в большем количестве, чем нужно для связывания углекислоты, вступает в реакцию с бикарбонатными солями кальция и переводит их в карбонатные соли, выпа­дающие в осадок:

Са(НСО 3) 2 + Са(ОН) 2 = 2СаСО 3 + 2Н 2 О.

Остается сульфатная жесткость, для устранения которой вво­дится раствор соды.

CaSO 4 + Na s CO 3 = Na 2 SO 4 + CaCO 3 .

Переход в нерастворимое состояние солей магния происходит при взаимодействии с известью и при высокой щелочности - рН 10,2-10,3.

Надо иметь в виду, что такое реагентное умягчение связано с образованием обильного осадка, который нельзя сбрасывать в водоем. С этим приходится считаться при умягчении техниче­ской воды.

б) катионитное умягчение основано на свойстве некоторых нерастворимых веществ обменивать ионы натрия, водорода и дру­гие на ионы кальция, магния, извлекая их из воды и тем самым, умягчая ее. Процесс этот происходит при фильтрации воды через катиониты на так называемых ионообменных фильтрах.

В качестве катионов используются ионообменные смолы. Их преимущество: стойкость, высокие пористость и площадь соприкосновения с во­дой и ионообменная способность. Для обработки используют катионнообменные смолы – эспатит-4, СБС и анионообменные - ЭДЭ-1О.

в) умягчение путем нагревания (кипячения) основано на переходе двууглекислых растворимых солей кальция в нераство­римые углекислые и солей магния - в гидрат окиси магния:

Са(НСО 3) 2 = СаСО 3 + CO 2 + Н 2 О

Mg(НСО 3) 2 = MgСО 3 + CO 2 + Н 2 О

MgСО 3 + Н 2 О = Mg (ОН) 2 + CO 2

Этим путем можно избавиться только от устранимой (бикарбонатной) жесткости.

Опреснение, обессоливание.

Под опреснением понимается снижение содержания солей в воде до степени, отвечающей ка­чествупитьевой воды, т. е. 1000 мг/л. Обессоливание - полноеилипочти полное удаление из воды растворенных в ней солей.

Наиболее распространенными способами опреснения являются дистилляция, ионный обмен, электродиализ и гиперфильтрация.

Метод дистилляции основан на выпаривании воды с последующей конденсацией. Недостатками метода являются плохие органолептические свойства воды вследствие поступления в нее продуктов термического разложения органических веществ и низкая минерализация.

Ионообменный метод – воду пропускают через катионитовые и анионитовые фильтры, в результате происходит обмен ионов и удаляются растворенные соли.

Метод электродиализа основан на том, что при пропускании постоянного тока через слой воды анионы растворенные в воде солей движутся к аноду, а катионы - к катоду. Вода помещается в трехкамерный сосуд или резервуар, средняя камера отделена от соседних пористыми перегородками (диафрагмы), а в крайние камеры опущены электроды. При пропуске тока ионы соли (например, NaCl) из средней камеры, где нахо­дится обессоливаемая вода, переходят в крайние (анионы С1 - в камеру с анодом, а катионы Na + в камеру с катодом).

Метод позволяет управлять процессом и остановить его при достижении заданного результата.

Гиперфильтрацией называют процесс фильтрования воды через полупроницаемые мембраны, задерживающие гидратированные ионы солей и молекулы органических соединений.

Обесфторивание и фторирование .

На практике с богатой фто­ром водой приходится встречаться только при водоснабжении из подземных источников. Для дефторирования используют реагентные (методы осаждения) и фильтрационные. Реагентные методы основаны на сорбции фтора свежеосажденными гидроокисями алюминия и или магния. Этот метод рекомендуется при обработке поверхностных вод, когда, кроме дефторирования, требуется еще осветление и обесцвечивание. Более практично и достаточно эффективно фильтрование через активированную окись алюминия (AI 2 O 3), обладающую по отношению к фтору сорбционной спо­собностью. Высота фильтра, загруженного сорбентом, 2 м, скорость фильтрации - 5 м/ч.

Фторирование воды является эффективным средством снижения заболеваемости кариесом зубов. Для фторирования воды применя­ют фторид натрия, кремнефтористую кислоту и ее натриевую соль, фторид-бифторид аммония, добавляемые к воде дозирующими устройства­ми. К реагентам предъявляются следующие требования: высокое противокариозное действие при меньшей потенциальной токсичности, отсутствие ядовитых примесей (мышьяк, соли тяжелых металлов), хорошая растворимость в воде, безопасность для персонала (малое пыление), возможно низкая коррозионная активность. Фторирование лучше проводить после фильтров, перед резервуарами чистой воды. Необходим тщательный лабораторный контроль, чтобы не завысить содержание фтора выше нормы СаНПиН для данного кли­матического района. Контроль за содержанием фтор-иона должен быть автоматизирован.

При использовании воды в питьевых и хозяйственных целях должно быть исключено неблагоприятное ее действие на организм в виде заболеваний инфекционного и неинфекционного характера, поэтому требования к воде должны быть сведены к следующему:

1. Вода должна удовлетворять требованиям населения по своим органолептическим свойствам .

Использование природных вод открытых водоемов, а иногда и подземных вод в целях хозяйственно-питьевого водоснабжения практически невозможно без предваритель-ного улучшения свойств воды и ее обеззараживания.

Для улучшения качества воды применяются следующие методы :

1) очистка — удаление взвешенных частиц;

2) обез-зараживание — уничтожение микроорганизмов ;

3) специаль-ные методы улучшения органолептических свойств воды, умягчение, удаление некоторых химических веществ, фторирование и др.

Очистка воды. Очистка является важным этапом в общем комплексе методов улучшения качества воды, так как улучшает ее физические и органолептические свойства. При этом в процессе удаления из воды взвешенных частиц удаляется и значительная часть микроорганизмов. Очистка осуществляется механическим (отстаивание), физическим (фильтрование) и химическим (коагуляция) методами.

Отстаивание , при котором происходит осветление и частичное обесцвечивание воды, осуществляется в специаль-ных сооружениях — отстойниках. Процесс отстаивания в них продолжается в течение 2-8 ч. Однако мель-чайшие частицы, в том числе значительная часть микроорганизмов, не успевает осесть. Поэтому отстаивание нельзя рассматривать как основной метод очистки воды.

Фильтрация — процесс более полного освобождения воды от взвешенных частиц. Воду пропускают через фильтрующий мелкопористый материал, чаще всего через песок. Фильтруясь, вода оставляет на поверхности и в глубине фильтрующего материала взвешенные частицы. На водопро-водных станциях фильтрация применяется после коагуля-ции.

В настоящее время применяются кварцево-антрацитовые фильтры, значительно увеличивающие скорость фильтрации.

Коагуляция представляет собой химический метод очистки воды. Он позволяет освободить воду от загрязнений, находящихся в виде взвешенных частиц, удаление которых невозможно с помощью отстаивания и фильтрации. Сущность коагуляции заключается в добавлении к воде химического вещества — коагулянта, способного реагировать с находящи-мися в ней бикарбонатами. В результате этой реакции образуются крупные, довольно тяжелые хлопья. Оседая вследствие собственной тяжес-ти, они увлекают за собой находящиеся в воде во взвешенном состоянии частицы загрязнений. Это способствует довольно быстрой очистке воды. За счет этого процесса вода становится прозрачной, улучшает-ся показатель цветности.

В качестве коагулянта применяется сульфат алюминия, образующий с бикар-бонатами воды крупные хлопья гидрата окиси алюминия.

Обеззараживание.

Уничтожение микроорганизмов являет-ся последним, завершающим этапом обработки воды, обеспе-чивающим ее эпидемиологическую безопасность. Для обеззараживания воды применяются химические (реагентные) и физические (безреагентные) методы .

Химические (реагентные) методы обеззаражи-вания основаны на добавлении к воде различных химических веществ, вызывающих гибель находящихся в воде микро-организмов. Эти методы достаточно эффективны. В каче-стве реагентов могут быть использованы различные силь-ные окислители: хлор и его соединения, озон, йод, перманганат калия, некоторые соли тяжелых металлов, се-ребро.

В санитарной практике наиболее надежным и испытан-ным способом обеззараживания воды является хлорирование. На водопроводных станциях оно производится при помощи газообразного хлора и растворов хлорной извести.

Процесс хлорирования зависит от стойкости микроорга-низмов. Наиболее устойчивыми являются спорообразующие. Среди неспоровых отношение к хлору различное, например брюшнотифозная палочка менее устойчива, чем палочка паратифа и т. д. Важным является массивность микробного обсеменения: чем она выше, тем больше хлора нужно для обеззараживания воды. Эффективность обеззараживания зависит от активности используемых хлорсодержащих препаратов. Так, газообразный хлор более эффективен, чем хлорная известь.

Большое влияние на процесс хлорирования оказывает состав воды; процесс замедляется при наличии большого количества органических веществ, так как большее коли-чество хлора уходит на их окисление, и при низкой темпе-ратуре воды. Чем выше доза хлора и чем продолжительнее его контакт с водой, тем более высоким будет обеззараживающий эффект.

Для достижения полного бактерицидного эффекта определяется оптимальная доза хлора, которая складывается из количества активного хлора, которое необходимо для:

а) уничтожения микроорганизмов;

б) окисления органиче-ских веществ, а также количества хлора, которое должно остать-ся в воде после ее хлорирования для того, чтобы служить показателем надежности хлорирования.

Это количество называется активным остаточным хлором . Его норма 0,3-0,5 мг/л. При дозах выше 0,5 мг/л вода приобретает неприятный специфический запах хлора.

К химическим методам обеззараживания воды относится озонирование . Озон является нестойким соединением. В воде он разлагается с образованием молекулярного и атомарного кислорода , с чем связана сильная окислительная способность озона. В процессе его разложения образуются свободные радикалы ОН и НО 2 , обладающие выраженными окислительными свойствами. Озон обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом, поэтому его реакция с органическими веществами, находящимися в воде, происходит более полно, чем у хлора. Механизм обеззараживающего действия озона аналогичен действию хлора: являясь сильным окислителем, озон повреждает жизненно важные ферменты микроорганизмов и вызывает их гибель.

Преимущество озонирования перед хлорированием за-ключается в том, что при этом способе обеззараживания улучшаются вкус и цвет воды, поэтому озон может быть использован одновременно для улучшения ее органолептических свойств. Озонирование не оказывает отрицатель-ного влияния на минеральный состав и рН воды. Избыток озона превращается в кислород, поэтому остаточный озон не опасен для организма и не влияет на органолептические свойства воды. Озо-нирование производится при помощи специальных аппара-тов — озонаторов.

При химических способах обеззарараживания воды используют также олигодинамические действия солей тяжелых металлов (серебра, меди, золота). Олигодинамическим действием тяжелых металлов называется их способ-ность оказывать бактерицидный эффект в течение длитель-ного срока при крайне малых концентрациях. Данный метод обычно применяется для обеззаражи-вания небольших количеств воды.

Перекись водорода давно известна как окислитель. Ее бактерицидное действие связано с выделением кисло-рода при разложении.

Химические, или реагентные, способы обеззараживания воды, имеют ряд недостатков, которые заключаются в том, что большинство этих веществ отрицательно влияет на со-став и органолептичеекие свойства воды. Кроме того, бактерицидное действие этих веществ проявляется после определенного периода контакта и не всегда распростра-няется на все формы микроорганизмов. Все это явилось причиной разработки физических методов обеззараживания воды, имеющих ряд преимуществ по сравнению с химиче-скими. Безреагентные методы не оказывают влияния на состав и свойства обеззараживаемой воды, не ухудшают ее органолептических свойств. Они действуют непосредст-венно на структуру микроорганизмов, вследствие чего обла-дают более широким диапазоном бактерицидного действия. Для обеззараживания необходим небольшой период времени.

Наиболее разработанным методом является облучение воды бактерицид-ными (ультрафиолетовыми) лампами. Наибольшим бактери-цидным свойством обладают УФ лучи с длиной волны 200-280 нм; максимум бактерицидного действия приходит-ся на длину волны 254-260 нм. Источником излучения слу-жат аргонно-ртутные лампы низкого давления и ртутно-кварцевые лампы. Обеззараживание воды наступает быстро, в течение 1-2 мин. При обеззараживании воды УФ-лучами погибают не только вегетативные формы микробов, но и споровые, а также вирусы, яйца гельминтов, устойчивые к воздейст-вию хлора. Применение бактерицидных ламп не всегда возможно, так как на эффект обеззараживания воды УФ-лучами влияют мутность, цветность воды, содержание в ней солей железа. Поэтому, прежде чем обеззараживать воду таким способом, ее необходимо тщательно очистить.

Из всех имеющихся физических методов обеззаражива-ния воды наиболее надежным является кипячение. В ре-зультате кипячения в течение 3-5 мин погибают все имеющиеся в ней микроорганизмы, а после 30 мин вода становится полностью стерильной. Несмотря на высокий бактерицидный эффект, этот метод не находит широкого применения для обеззараживания больших объемов воды. Недостатком кипячения является ухудшение вкуса воды, наступающего в результате улетучивания газов, и возможность более быстрого развития микроорганизмов в кипяченой воде.

К физическим методам обеззараживания воды относится использование импульсного электрического разряда, ультра-звука и ионизирующего излучения. В настоящее время эти методы широкого практического применения не находят.

Специальные способы улучшения качества воды.

Помимо основных методов очистки и обеззараживания воды, в не-которых случаях возникает необходимость производить спе-циальную ее обработку. В основном эта обработка направле-на на улучшение минерального состава воды и ее органолептических свойств.

Дезодорация — удаление посторонних запахов и привкусов. Необходимость проведения такой обработки обу-словливается наличием в воде запахов, связанных с жизне-деятельностью микроорганизмов, грибов, водорослей, продуктов распада и разложения органических веществ. С этой целью применяются такие методы, как озонирование, хлорирование, обработка воды перманганатом калия, переки-сью водорода, фторирование через сорбционные фильтры, аэрация.

Дегазация воды — удаление из нее растворенных дурно пахнущих газов. Для этого применяется аэрация, т. е. разбрызгивание воды на мелкие капли в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе, в резуль-тате чего происходит выделение газов.

Умягчение воды — полное или частичное удаление из нее катионов кальция и магния. Умягчение проводится специальными реагентами или при помощи ионообменного и термического методов.

Опреснение (обессоливание) воды чаще производит-ся при подготовке ее к промышленному использованию.

Частичное опреснение воды осуществляется для снижения содержания в ней солей до тех величин, при которых воду можно использовать для питья (ниже 1000 мг/л). Опресне-ние достигается дистилляцией воды, которая производится в различных опреснителях (вакуумные, многоступенчатые, гелиотермические), ионитовых установках, а также электро-химическим способом и методом вымораживания.

Обезжелезивание — удаление из воды железа про-изводится аэрацией с последующим отстаиванием, коагулированием, известкованием, катионированием. В настоящее время разработан метод фильтрования воды через песча-ные фильтры. При этом закисное железо задерживается на поверхности зерен песка.

Обесфторивание — освобождение природных вод от избыточного количества фтора. С этой целью применяют метод осаждения, основанный на сорбции фтора осадком гидроокиси алюминия.

При недостатке в воде фтора ее фторируют .

В случае загрязнения воды радиоактивными веществами ее подвергают дезактивации , т. е. удалению радиоактивных веществ.

Вода, поступающая из водоемов в систему центрального водоснабжения, предварительно подвергается обработке на водопроводных станциях, в результате которой ее качество приводится в соответствие с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода».

Основными методами улучшения качества питьевой воды являются ее осветление и обесцвечивание (устранение мутности и цветности), а также обеззараживание (освобождение от патогенных микроорганизмов). При необходимости вода подвергается специальным методам обработки: обезжелезиванию, умягчению, дезодорации, обесфториванию или фторированию.

Осветление и обесцвечивание являются первым этапом обработки воды в очистных сооружениях водопроводной станции. Осуществляются они путем отстаивания воды в резервуарах с последующей фильтрацией через песчано-угольные фильтры. Для ускорения осаждения взвешенных частиц к воде добавляют коагулянты - серно-кислый алюминий или хлорное железо. Для ускорения процессов коагуляции применяют синтетический препарат полиакриламид (ПАА), усиливающий слипание взвешенных частиц. После коагуляции, отстаивания и фильтрации вода становится прозрачной и, как правило, бесцветной, а также освобождается от яиц геогельминтов и на 70-90 % от микроорганизмов. Затем вода поступает в резервуар чистой воды для обеззараживания.

Обеззараживание является основным процессом улучшения качества воды. Оно применяется во всех случаях при использовании поверхностных вод и в некоторых случаях при использовании подземных вод. Обеззараживание проводят химическими и физическими методами.

К химическим методам обеззараживания относятся хлорирование и озонирование.

Хлорирование - обработка воды хлором или его соединениями - является наиболее распространенным методом обеззараживания. Гигиеническая ценность метода заключается в эффективности его бактерицидного действия, экономичности, доступности осуществления для различных объемов воды.

Доза хлора, взятая для хлорирования, считается оптимальной, если количество остаточного хлора, определяемое в воде после 30-минутного контакта ее с хлором, равно 0,3-0,5 мг/л или после часового контакта - 0,8-1,2 мг/л. Для обеззараживания воды используют также гипохлориды (натриевые и кальциевые соли хлорноватистой кислоты) и хлорную известь. Для обеззараживания воды указанными соединениями активным началом также являются НОС1 и ОС1-.

Недостатком хлорирования является содержание в обеззараженной воде остатков реагента, который ухудшает запах и вкус воды.

Озонирование как метод обеззараживания воды, с гигиенической точки зрения, имеет существенные преимущества перед другими методами благодаря высокой окислительной способности и выраженному бактерицидному действию реагента. Озон улучшает органолептические свойства воды; устраняет цветность и посторонние запахи, которые при хлорировании не удаляются, в частности, запахи нефти и нефтепродуктов; инактивирует некоторые пестициды и канцерогенные углеводороды. Избыточный озон не накапливается в воде, т.к. быстро распадается с образованием молекулярного кислорода. Доза озона, необходимая для обеззараживания воды, равна 0,8-4 мг/л в зависимости от качества воды, ее температуры, степени минерализации, содержания гуминовых веществ. Продолжительность контакта с водой от 3 до 10 мин.

Для обеззараживания воды могут применятся другие физические методы - ультрафиолетовое облучение и ультразвук.

Еще по теме Основные методы улучшения качества воды:

1. Методы улучшения качества питьевой воды. Обеззараживание питьевой воды при централизованном водоснабжении и в полевых условиях

Основные способы улучшения качества воды

Основными способами улучшения качества воды являются: осветление (удаление взвешенных веществ), обесцвечивание (удаление окрашенных коллоидов; растворенных веществ), обеззараживание (уничтожение патогенных микроорганизмов) и специальные методы обработки (удаление или введение в воду необходимых элементов). Типовая схема процесса очистки воды приведена на рисунке.

Осветление воды осуществляется путем механического отстаивания с последующей фильтрацией воды от частиц размером более 1 мкм через соответствующие устройства. Для повышения эффекта осветления в отстойниках осуществляют предварительную химическую обработку (коагуляцию с применением в качестве коагулянта сернокислого алюминия), приводящую к укрупнению взвешенных в воде частиц (они слипаются и выпадают в осадок в виде хлопьев). При коагуляции перспективно использовать новые химические вещества, созданные благодаря успехам химии (флоккулянты, в частности, полиакриламид), которые позволяют ускорить эту работу. В осадок выпадает и часть микроорганизмов.

1 — аэрация разбрызгиванием; 2 — хлорирование; 3 — смесительная камера: уголь и алюминиевые или железные квасцы; 4 — конечное хлорирование; 5 — распределение чистой воды по потребителям

После отстаивания и коагуляции вода поступает на фильтрацию (обычно кварцевым песком). Наиболее часто применяется «скорый фильтр»: резервуар, заполненный песком, а под ним слой гравия. Фильтр задерживает более мелкие частицы и часть микроорганизмов. Рассмотренные очистные сооружения водопровода, основной функцией которых является осветление и обесцвечивание воды, способны задержать до 90% находящихся в воде микроорганизмов.

Этот процесс заключается в сорбции бактерий и вирусов на поверхности взвешенных частиц и хлопьев, последующее их осаждение в отстойниках или отфильтровывание, что зависит от параметров взвесей, которые имеют огромный разброс. Не осевшие на взвесях микроорганизмы проникают через все элементы очистных сооружений. Для недопущения передачи через воду кишечных инфекций и их окончательного уничтожения в практике коммунального водоснабжения используют реагентные (хлорирование, озонирование) или безреагентные (ультрафиолетовое, лазерное или гамма-облучение) методы.

Хлорирование воды на современном этапе наиболее распространено из-за простоты процесса, надежности и дешевизны. При правильно выбранной дозе хлорирования и достаточной предварительной очистке вода полностью освобождается от патогенных микробов: это фиксируется наличием свободного хлора, т.е. не требуется проведение анализа очищенной воды. К недостаткам процесса хлорирования относятся сложность транспортировки хлора (высокотоксичное вещество, образующее в воде хлорорганические соединения, вредные для организма, требует строго выполнять меры безопасности и длительного контакта для достижения эффекта очистки воды).

Процесс озонирования (прямого контакта газа с водой) является альтернативным хлорированию. Озон — сильный окислитель, разрушающий микроорганизмы. При озонировании углеводороды не образуются (как это наблюдается при хлорировании), а имеющиеся в воде углеводороды разрушаются озоном путем окисления, происходит обесцвечивание и устранение посторонних привкусов и запахов. Озон улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает бактерицидный эффект при менее продолжительном контакте (до 10 мин).

Даже при вводе избыточного количества озона в обработанной воде не остается следов свободного озона, но это не дает полной гарантии уничтожения микроорганизмов: требуется выполнить дополнительный анализ взятых проб (проведение теста на присутствие бактерий требует 24 ч). Если микроорганизмы попадут в воду после обработки озоном, то они не погибают. А это требует использовать дополнительное обеззараживающее средство, т.е. опять хлор. Широкому внедрению озонирования препятствует высокая энергоемкость процесса получения озона.

На качество природных вод оказывают влияние природные и антропогенные факторы. К природным (естественным) факторам относятся условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, накопление органических веществ из-за отмирания растительных и животных организмов. К антропогенным факторам — деятельность людей, что приводит к химическому, физическому и (или) биологическому загрязнению воды.

Влияние примесей на состояние водного объекта

	Состав примесей	Влияние на водный объект
Механические	Песок, глина, шлак, рудные включения	Обмеление реки, заилива­ние водохранилища, дефи­цит кислорода, замедление развития водных организмов
Минераль­ные, хими­ческие (растворы, коллоиды, взвеси)	Тяжелые металлы, мине­ральные удобрения, био­генные элементы (азот, фосфор, углерод)	Токсические воздействия на водные организмы. Приводят к «цветению» водоемов
Органичес­кие, легко окисляемые (растворы, коллоиды, взвеси)	Органические вещества в сточных водах пищевых и сельскохозяйственных объектов, бытовых отходах	Из-за дефицита кислорода изменяется рН, ухудшают­ся органолептические свойства, бурно развивают­ся сине-зеленые водоросли
Органические, трудно окисляемые (растворы, коллоиды, взвеси)	Нефтепродукты, фенольные соединения, жесткие СПАВ, стойкие пестициды	Из-за высокой стойкости и токсичности придают воде неприятный запах и вкус, ограничивая ее пригодность для питья; трудно удаляют­ся из воды
Биологичес­кие	Бактерии, водоросли, простейшие, черви, яйца гельминтов, грибы	Образуют устойчивые взвеси. Происходит обрастание подводных предметов. Участвуют в самоочищении и вторичном загрязнении водоема

Причиной химических загрязнений водных объектов обычно является сброс неочищенных или недостаточно очищенных промышленных или бытовых сточных вод: органической или неорганической природы, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ).

Физические загрязнения определяются тепловыми, механическими или радиоактивными примесями. Биологическое загрязнение заключается в изменении свойств водной среды в результате увеличения количества несвойственных ей видов микроорганизмов, поступающих обычно с бытовыми сточными водами (воды кухонь, туалетов, больниц, прачечных).

Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные системы загрязняющих веществ, находящихся в растворенном, коллоидном или нерастворенном состоянии.

Сточные воды можно разделить на бытовые, производственные и ливневые (дождевые), отличающиеся друг от друга происхождением, составом и биологической активностью.

Бытовые сточные воды образуются в результате жизнедеятельности людей и характеризуются наличием загрязнителей минерального (соли аммония, фосфаты, хлориды, гидрокарбонаты) и органического (безазотистые и азотосодержащие) происхождения. Минеральные вещества в сточных водах могут быть в нерастворенном виде (5%), в виде суспензии (5%), коллоидах (2%) и растворенном виде (до 30%). Безазотистые органические вещества представляют собой углеводороды и жиры, азотосодержащие — белки и продукты их гидролиза. Содержание органических нерастворенных загрязнителей в сточных водах составляет 15%, в виде суспензии 5%, коллоидов 8% и растворенных 20%. Особой группой загрязнителей являются микроорганизмы.

Состав производственных сточных вод зависит от характера производственного процесса на соответствующем объекте экономики:

1. сточные воды предприятий металлургии и аналогичных производств (например, гальванических), содержащие неорганические примеси в виде солей тяжелых металлов, способных токсически воздействовать на обитателей водоемов;
2. сточные воды рудообогатительных и цементных предприятий, ДСК с неорганическими примесями, не обладающими токсичным действием (здесь примеси находятся во взвешенном состоянии);
3. стоки предприятий химической и нефтехимической промышленности, органического синтеза, содержащие органические вещества, обладающие токсическим действием (ПАВ, фенолы, ацетон, формальдегид, неорганические кислоты, жиры, нефтепродукты, хлориды);
4. воды, содержащие нетоксичные органические вещества, попадание которых в водоемы приводит к снижению концентрации растворенного кислорода, возрастанию окисляемости, ВПК.

Дождевые сточные воды также характеризуются огромным разнообразием примесей, зависящих от множества факторов (общего санитарного состояния территории ливневого сбора, видов и характеристик промышленности региона, режима таяния снега, характера атмосферных осадков).