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

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

Методов улучшения качества воды много, и они  позволяют освободить воду от опасных микроорганизмов, взвешенных частиц, гуминовых соединений, от избытка солей, токсических и  радиоактивных веществ  и дурнопахнущих  газов.

Основная  цель очистки воды — защита потребителя  от патогенных организмов и примесей, которые  могут быть опасны для здоровья человека или иметь неприятные свойства (цвет, запах, вкус и т. д.). Методы очистки следует  выбирать с учетом качества и характера  источника водоснабжения.

Использование подземных межпластовых водоисточников для  централизованного  водоснабжения имеет  целый ряд преимуществ  перед использованием поверхностных источников. К важнейшим из них относятся: защищенность воды от внешнего загрязнения, безопасность в эпидемиологическом отношении, постоянство  качества и дебита воды. Дебит —  это объем воды, поступающий из источника  в единицу времени (л/час, м3/сутки и т. д.).

Обычно  подземные воды не нуждаются в осветлении, обесцвечивании и  обеззараживании, Схема  водопровода на подземных  водах представлена на рисунке.

К числу недостатков  использования подземных  водоисточников для  централизованного  водоснабжения относится-небольшой  дебит воды, а значит применять их можно  в местностях со сравнительно небольшой численностью населения (малые  и средние города, поселки городского типа и сельские населенные пункты). Более 50 тыс. сельских населенных пунктов имеютцентрализованное  водоснабжение, однако благоустройство  сел затруднено в  силу рассредоточенности сельских поселений  и малой их численности (до 200 человек). Чаще всего  здесь используются различные виды колодцев (шахтные, трубчатые).

Место для колодцев выбирают на возвышенности, не менее 20-30 м от возможного источника загрязнения (уборные, выгребные ямы  и др.). При рытье  колодца желательно дойти до второго  водоносного горизонта.

Дно шахты колодца  оставляют открытым, а основные стенки укрепляют материалами, обеспечивающими  водонепроницаемость, т. е. бетонными кольцами или деревянным срубом без щелей. Стенки колодца должны возвышаться  над поверхностью земли не менее  чем на 0,8 м. Для  устройства глиняного  замка, препятствующего  попаданию поверхностных  вод в колодец, вокруг колодца выкапывают яму глубиной 2 м  и шириной 0,7-1 м  и наполняют ее хорошо утрамбованной  жирной глиной. Поверх глиняного замка делают подсыпку песком, мостят кирпичом или бетоном с уклоном в сторону от колодца для стока поверхностных вод и пролива при ее заборе. Колодец необходимо оборудовать крышкой и пользоваться только общественным ведром. Лучший способ подъема воды — насосы. Кроме шахтных колодцев, для добывания подземных вод применяют разные типы трубчатых колодцев.

Преимущество  таких колодцев в  том, что они могут  быть любой глубины, стенки их изготовляются  из водонепроницаемых  металлических труб, по которым насосом  поднимается вода. При расположении меж пластовой  воды на глубине больше 6-8 м ее добывают посредством  устройства скважин, оборудованных металлическими трубами и насосами, производительность которых достигает 100 мУч и более.

Вода  открытых водоемов подвержена загрязнениям, поэтому, с эпидемиологической точки зрения, все  открытые водоисточники  в большей или  меньшей степени  потенциально опасны. Кроме того, эта  вода часто содержит гуминовые соединения, взвешенные вещества из различных химических соединений, поэтому  она нуждается  в более тщательной очистке и обеззараживании

Схема водопровода на поверхностном  водоисточнике приведена  на рисунке 1.

Головными сооружениями водопровода, питающегося водой  из открытого водоема, являются: сооружения для забора и улучшения  качества воды, резервуар  для чистой воды, насосное хозяйство  и водонапорная башня. От нее отходит  водовод и разводящая сеть трубопроводов, изготовленных из стали или имеющих  антикоррозийные  покрытия.

Итак, первый этап очистки  воды открытого водоисточника  — это осветление и обесцвечивание. В природе это  достигается путем  длительного отстаивания. Но естественный отстой протекает медленно и эффективность  обесцвечивания при  этом невелика. Поэтому  на водопроводных  станциях часто применяют  химическую обработку  коагулянтами, ускоряющую осаждение взвешенных частиц. Процесс осветления и обесцвечивания, как правило, завершают  фильтрованием воды через слой зернистого материала (например, песок или измельченный антрацит). Применяют  два вида фильтрования — медленное и  скорое.

Медленное фильтрование воды проводят через специальные  фильтры, представляющие собой кирпичный  или бетонный резервуар, на дне которого устраивают дренаж из железобетонных плиток или дренажных  труб с отверстиями. Через дренаж профильтрованная воды отводится из фильтра. Поверх дренажа  загружают поддерживающий слой щебня, гальки и  гравия по крупности, постепенно уменьшающейся  кверху, что не дает возможности мелким частицам просыпаться  в отверстия дренажа. Толщина поддерживающего  слоя — 0,7 м. На поддерживающий слой загружаютфильтрующий слой (1 м) с диаметром зерен 0,25-0,5 мм. Медленный фильтр хорошо очищает воду только после созревания, которое состоит в следующем: в верхнем слое песка происходят биологические процессы — размножение микроорганизмов, гидробионтов, жгутиковых, затем их гибель, минерализация органических веществ и образование биологической пленки с очень мелкими порами, способными задерживать даже самые мелкие частицы, яйца гельминтов и до 99% бактерий. Скорость фильтрации составляет 0,1-0,3 м/ч.

Медленнодействующие фильтры применяют  на малых водопроводах для водоснабжения  сел и поселков городского типа. Раз  в 30-60 дней поверхностный  слой загрязненного  песка снимают  вместе с биологической  пленкой.

Стремление  ускорить осаждение  взвешенных частиц, устранить цветность  воды и ускорить процесс  фильтрования привело  к проведению предварительного коагулирования воды. Для этого к  воде добавляюткоагулянты, т. е. вещества, образующие гидроокиси с быстро оседающими хлопьями. В качестве коагулянтов  применяют сернокислый  алюминий — Al2(SO4)3 ; хлорное  железо — FeSl^ сернокислое  железо — FeSO4 и др. Хлопья коагулянта обладают огромной активной поверхностью и положительным  электрическим зарядом, что позволяет  им адсорбировать  даже мельчайшую отрицательно заряженную взвесь микроорганизмов  и коллоидных гуминовых  веществ,, которые  увлекаются на дно  отстойника оседающими хлопьями. Условия  эффективности коагуляции — наличие бикарбонатов. На 1 г коагулянта добавляют 0,35 г Са(ОН)2. Размеры отстойников (горизонтальных или вертикальных) рассчитаны на 2-3-часовое  отстаивание воды.

После коагуляции и отстаивания  вода подается на скорые фильтры с толщиной фильтрующего слоя песка 0,8 м и диаметром  песчинок 0,5-1 мм. Скорость фильтрации воды составляет 5-12 м/час. Эффективность  очистки воды: от микроорганизмов  — на 70-98% и от яиц  гельминтов — на 100%. Вода становится прозрачной и бесцветной.

Очистку фильтра проводят путем подачи воды в обратном направлении  со скоростью, в 5-6 раз  превышающей скорость фильтрования в течение 10-15 мин.

С целью интенсификации работы описанных  сооружений используют процесс коагуляции в зернистой загрузке скорых фильтров (контактная коагуляция). Такие  сооружения называют контактными осветелителями. Их применение не требует  строительства камер  хлопьеобразования  и отстойников, что  позволяет уменьшить  объем сооружений в 4-5 раз. Контактный фильтр имеет трехслойную  загрузку. Верхний  слой — керамзит, полимерная крошка и  др. (размер частиц —- 2,3-3,3 мм).

Средний слой — антрацит, керамзит (размер частиц — 1,25-2,3 мм).

Нижний  слой — кварцевый  песок (размер частиц — 0,8-1,2 мм). Над поверхностью загрузки укрепляют  систему перфорированных  труб для введения раствора коагулянта. Скорость фильтрации до 20 м/час.

При любой схеме заключительным этапом обработки  воды наводопроводе  из поверхностного источника  должно быть обеззараживание.

При организации централизованного  хозяйственно-питьевого  водоснабжения небольших  населенных пунктов  и отдельных объектов (дома отдыха, пансионаты, пионерские лагеря) в случае использования  в качестве источника  водоснабжения поверхностных  водоемов необходимы сооружения небольшой  производительности. Этим требованиям  отвечают компактные установки заводского изготовления "Струя" производительностью  от 25 до 800 м3/сутки.

В установке используют трубчатый отстойник  и фильтр с зернистой  загрузкой. Напорная конструкция всех элементов установки  обеспечивает подачу исходной воды насосами первого подъема  через отстойник  и фильтр непосредственно  в водонапорную башню, а затем потребителю. Основное количество загрязнений оседает  в трубчатом отстойнике. Песчаный фильтр обеспечивает окончательное извлечение из воды взвешенных и коллоидных примесей.

Хлор  для обеззараживания  может вводиться  либо перед отстойником, либо сразу в фильтрованную  воду. Промывку установки  проводят 1-2 раза в  сутки в течение 5-10 мин обратным потоком  воды. Продолжительность  обработки воды не превышает 40-60 мин, тогда  как на водопроводной  станции этот процесс  составляет от 3 до 6 ч.

Эффективность очистки и обеззараживания  воды на установке "Струя" достигает 99,9%.

Обеззараживание воды может быть проведено  химическими и  физическими (безреагентными) методами.

К химическим методам  обеззараживания  воды относят хлорирование и озонирование. Задача обеззараживания  — уничтожение  патогенных микроорганизмов, т. е. обеспечение  эпидемической безопасности воды.

Россия  была одной из первых стран, в которой  хлорирование воды стало  применяться на водопроводах. Произошло это  в 1910 г. Однако на первом этапе хлорирование воды проводили только при вспышках водных эпидемий.

В настоящее время  хлорирование воды является одним из наиболее широко распространенных профилактических мероприятий, сыгравших огромную роль в предупреждении водных эпидемий. Этому  способствует доступность  метода, его дешевизна  и надежность обеззараживания, а также многовариантность, т. е. возможность обеззараживать воду на водопроводных станциях, передвижных установках, в колодце (при его загрязнении и ненадежности), на полевом стане, в бочке, ведре и во фляге.Принцип хлорирования основан на обработке воды хлором или химическими соединениями, содержащими хлор в активной форме, обладающей окислительным и бактерицидным действием.

Химизм  происходящих процессов  состоит в том, что при добавлении хлора к воде происходит его гидролиз: CI2+H2O <z> HOCl+HCl т. е. образуются соляная  и хлорноватистая кислота. Во всех гипотезах, объясняющих механизм бактерицидного действия хлора, хлорноватистой кислоте отводят  центральное место. Небольшие размеры  молекулы и электрическая  нейтральность позволяют  хлорноватистой кислоте  быстро пройти через  оболочку бактериальной  клетки и воздействовать на клеточные ферменты (SH-группы;), важные для обмена веществ и процессов  размножения клетки. Это подтверждено при электронной  микроскопии: выявлено повреждение оболочки клетки, нарушение  ее проницаемости  и уменьшение объема клетки.

На  крупных водопроводах для хлорирования применяют газообразный хлор, поступающий  в стальных баллонах или цистернах  в сжиженном виде. Используют, как правило, метод нормального  хлорирования, т. е. метод  хлорирования по хлорпотребности.

Имеет важное значение выбор  дозы, обеспечивающий надежное обеззараживание. При обеззараживании  воды хлор не только способствует гибели микроорганизмов, но и взаимодействует  с органическими  веществами воды и  некоторыми солями. Все эти формы  связывания хлора  объединяются в понятие "хлорпоглощаемость  воды".

В соответствии с СанПиН 2.1.4.559-96 "Питьевая вода..." доза хлора  должна быть такой, чтобы  после обеззараживания  в воде содержалось 0,3-0,5 мг/л свободного остаточного  хлора. Этот метод, не ухудшая вкуса  воды и не являясь  вредным для здоровья, свидетельствует  о надежности обеззараживания.Количество активного хлора  в миллиграммах, необходимое  для обеззараживания 1 л воды, назьвают хлорпотребностью.

Кроме правильного выбора дозы хлора, необходимым  условием эффективного обеззараживания  является хорошее  перемешивание воды и достаточное  время контакта воды с хлором: летом  не менее 30 минут, зимой  не менее 1 часа.

Модификации хлорирования: двойное  хлорирование, хлорирование с аммонизацией, перехлорирование и др.

Двойное хлорирование предусматривает  подачу хлора на водопроводные  станции дважды: первый раз перед отстойниками, а второй — как  обычно, после фильтров. Это улучшает коагуляцию и обесцвечивание воды, подавляет рост микрофлоры в очистных сооружениях, увеличивает  надежность обеззараживания.

Хлорирование  с аммонизацией предусматривает  введение в обеззараживаемую воду раствора аммиака, а через 0,5-2 минуты — хлора. При этом в воде образуются хлорамины — монохлорамины (NH2Cl) и дихлорамины (NHCl2), которые также  обладают бактерицидным  действием. Этот метод  применяется для  обеззараживания  воды, содержащей фенолы, с целью предупреждения образования хлорфенолов. Даже в ничтожных  концентрациях хлорфенолы придают воде аптечный запах и привкус. Хлорамины же, обладая  более слабым окислительным  потенциалом, не образуют с фенолами хлорфенолов. Скорость обеззараживания  воды хлораминами  меньше, чем при  использовании хлора, поэтому продолжительность  дезинфекций воды должна быть не меньше 2 ч, а остаточный хлор равен 0,8-1,2 мг/л.

Перехлорирование  предусматривает  добавление к воде заведомо больших  доз хлора (10-20 мг/л  и более). Это позволяет  сократить время  контакта воды с хлором до 15-20 мин и получить надежное обеззараживание  от всех видов микроорганизмов: бактерий, вирусов, риккетсий  Бернета, цист, дизентерийной  амебы, туберкулеза  и даже спор сибирской  язвы. По завершении процесса обеззараживания  в воде остается большой  избыток хлора  и возникаетнеобходимость дехлорирования. С  этой целью в воду добавляют гипосульфит  натрия или фильтруют  воду через слой активированного  угля.

Перехлорирование  применяется преимущественно  в экспедициях  и военных условиях.

К недостаткам метода хлорирования следует  отнести:

а) сложность транспортировки  и хранения жидкого  хлора и его  токсичность;

б) продолжительное  время контакта воды с хлором и сложность  подбора дозы при  хлорировании нормальными  дозами;

в) образование в  воде хлорорганических соединений и диоксинов, небезразличных для  организма;

г) изменение органолептических  свойств воды.

И тем не менее высокая  эффективность делает метод хлорирования самым распространенным в практике обеззараживания  воды.

В поисках безреагентных  методов или реагентов, не изменяющих химического  состава воды, обратили внимание на озон. Впервые  эксперименты с определением бактерицидных свойств  озона были проведены  во Франции в 1886 г. Первая в мире производственная озонаторная установка  была построена в 1911 г. в Петербурге.

В настоящее время  метод озонирования воды является одним  из самых перспективных  и уже находит  применение во многих странах мира —  Франции, США т. д. У нас озонируют  воду в Москве, Ярославле, Челябинске, на Украине (Киев, Днепропетровск, Запорожье и др.).

Озон (О3) — газ бледно-фиолетового  цвета с характерным  запахом. Молекула озона  легко отщепляет  атом кислорода. При  разложении озона  в воде в качестве промежуточных продуктов  образуются короткоживущие свободные радикалы НО2 и ОН. Атомарный  кислород и свободные  радикалы, являясь  сильными окислителями, обусловливают бактерицидные  свойства озона.

Наряду  с бактерицидным  действием озона  в процессе обработки  воды происходит обесцвечивание и устранение привкусов  и запахов.Озон получают непосредственно  на водопроводных  станциях путем тихого электрического разряда  в воздухе. Установка  для озонирования воды объединяет блоки  кондиционирования  воздуха, получения  озона и смешения его с обеззараживаемой водой. Косвенным  показателем эффективности  озонирования является остаточный озон на уровне 0,1-0,3 мг/л после  камеры смешения.

Преимущества  озона перед хлором при обеззараживании  воды состоит в  том, что озон не образует в воде токсических  соединений (хлорорганических соединений, диоксинов, хлорфенолов и  др.), улучшает органолептические  показатели воды и  обеспечивает бактерицидный  эффект при меньшем  времени контакта (до 10 мин). Он более эффективен по отношению к  патогенным простейшим — дизентерийной  амебе, лямблиям и  др.

Широкое внедрение озонирования в практику обеззараживания  воды сдерживается высокой  энергоемкостью процесса получения озона  и несовершенством  аппаратуры.

Олигодинамическое действие серебра  в течение длительного  времени рассматривалось  как средство для  обеззараживания  преимущественно  индивидуальных запасов  воды. Серебро обладает выраженным бактериостатическим  действием. Даже при  введении в воду незначительного  количества ионов  микроорганизмы прекращают размножение, хотя остаются живыми и даже способными вызвать заболевание. Концентрации серебра, способные вызвать  гибель большинства  микроорганизмов, при  длительном употреблении воды токсичны для  человека. Поэтому  серебро в основном применяется для  консервирования  воды при длительном хранении ее в плавании, космонавтике и т. д.

Для обеззараживания  индивидуальных запасов  воды применяются  таблетированные  формы, содержащие хлор.

Аквасепт  — таблетки, содержащие 4 мг активного хлора  мононатриевой соли дихлори-зоциануровой кислоты. Растворяется в воде в течение 2-3 мин, подкисляет воду и тем самым  улучшает процесс  обеззараживания.Пантоцид — препарат из группы органических хлораминов, растворимость — 15-30 мин., выделяет 3 мг активного  хлора.

К физическим методам  относятся кипячение, облучение ультрафиолетовыми  лучами, воздействие  ультразвуковыми  волнами, токами высокой  частоты, гамма-лучами и др.

Преимущество  физических методов  обеззараживания  перед химическими  состоит в том, что они не изменяют химического состава  воды, не ухудшают ее органолептических  свойств. Но из-за их высокой стоимости  и необходимости  тщательной предварительной  подготовки воды в  водопроводных конструкциях применяется только ультрафиолетовое облучение, а при местном  водоснабжении —  кипячение.

Ультрафиолетовые  лучи обладают бактерицидным  действием. Это было установлено еще  в конце прошлого века А. Н. Маклановым. Максимально эффективен участок УФ-части  оптического спектра  в диапазоне волн от 200 до 275 нм. Максимум бактерицидного действия приходится на лучи с длиной волны 260 нм. Механизм бактерицидного действия УФ-облучения  в настоящее время  объясняют разрывом связей в энзимных системах бактериальной  клетки, вызывающим нарушение микроструктуры и метаболизма  клетки, приводящим к ее гибели. Динамика отмирания микрофлоры зависит от дозы и  исходного содержания микроорганизмов. На эффективность обеззараживания  оказывают влияние  степень мутности, цветности воды и  ее солевой состав. Необходимой предпосылкой для надежного  обеззараживания  воды УФ-лучами является ее предварительное  осветление и обесцвечивание.

Преимущества  ультрафиолетового  облучения в том, что УФ-лучи не изменяют органолептических  свойств воды и  обладают более широким  спектром антимикробного действия: уничтожают вирусы, споры бацилл и яйца гельминтов.

Ультразвук  применяют для  обеззараживания  бытовых сточных  вод, т. к. он эффективен в отношении всех видов микроорганизмов, в том числе  и спор бацилл. Его  эффективность не зависит от мутности и его применение неприводит к пенообразованию, которое часто  имеет место при  обеззараживании  бытовых стоков.

Гамма-излучение  очень эффективный  метод. Эффект мгновенный. Уничтожение всех видов микроорганизмов, однако в практике водопроводов пока не находит применения.

Кипячение является простым  и надежным методом. Вегетативные микроорганизмы погибают при нагревании до 80°С уже через 20-40 с, поэтому в момент закипания вода уже  фактически обеззаражена. А при 3-5-минутном кипячении есть полная гарантия безопасности, даже при сильном  загрязнении. При  кипячении разрушается  ботулинический токсин и при 30-минутном кипячении погибают споры бацилл.

Тару, в которой хранится кипяченая вода, необходимо мыть ежедневно и  ежедневно менять воду, так как в  кипяченой воде происходит интенсивное размножение  микроорганизмов.