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.

Общие

1. Осветление (устранении мутности)

2. Обесцвечивание

3. Обеззараживание

Очистка по 2-схемам:

1. Отстаивание, медленная фильтрация

2. Коагуляция, отстаивание, быстрая фильтрация

1. Вода в течение 4-8 часов очень медленно передвигается по горизонтальным отстоям, в результате все крупные, взвешенные частицы оседают на дно. Далее вода попадает на медленный фильтр – крупногабаритные сооружения, имеющие несколько слоев:

а) подстилающий.

б) песок. V = 0,1 – 0,3 м/ч – фильтрация.

В процессе работы фильтра происходит его «созревание», на поверхности его образуется пленка, эффективность повышается, скорость снижается. 99,5% - эффективность обеззараживание.

2. Воду подвергают коагуляции, образовавшиеся в воде хлопья, имеющие заряд, на них адсорбируются взвешенные частицы и вместе с хлопьями выпадают в осадок. Реагенты: сернокислый Al, Fe. Al –образует соединения с бикарбонатом.

Первый этап. Определение бикарбонатной жесткости (количество Al). Реакция вялая, мало хлопьев – имеющие излишки сернокислого алюминия, необходимо ввести щелочь для ускорения реакции. При попадании в воду образуется коллоидный раствор.

После коагуляции воду направляют на быстрые фильтры, скорость в 50-100 раз выше, чем на медленных.

Эффективность обеззараживания 95%.

Обеззараживание:

Применяется физические, химические, механические методы.

а) Химические методы – хлорирование, гидрохлорирование, использование действия солей тяжелых металлов.

б) Механический метод – фильтрация через специальные свечи (Шамберлана)

в) Физический метод – УФ облучние.

Специальные методы

Специфические методы для обеззараживания:

1. Дезодарация – устранение неприятного вкуса и запаха.

2. Дегазация

3. Фторирование

4. Умягчение

5. Ожелезивание

6. Оппеснение

Реагенты: Газообразный хлор, Cl – известь, ДТСГК – двутреть соль гипохлорида Cа.

Хлорирование – остается нормальная доза Cl, но после этого происходит избавление воды от избытка F.

Cl-потребность – количество мл активного Cl необходимого для нормы обеззараживания воды.

Связный хлор идет на обеззараживание, свободный остаток хлора составляет 0,5-0,3 мг/л.

0,3-0,5 – количество хлора существенно не изменяет органические свойства воды, но свидетельствует о полноте обеззараживания.

Связный Cl не более 0,8 мг/л.

Остаточный азот 0,3-0,5 мг/л.

Выбор источника водоснабжения

В 1948 г. был принят ГОСТ «Источники централизованного хозяйственного водоснабжения 27.84»

Подземные источники делят на классы, в зависимости от методов улучшения качества воды

1. Удовлетворяющие всем требованиям САНПИНа.

2. ПО некоторым показателям имеют отклонения (аэрирование, фильтрирование, обеззараживание).

3. Имеют требования САНПИНа что и первое, но фильтрирование происходит с предварительным отстаиванием.

Поверхностные источники:

1 класс – обеззараживание, фильтрация, коагуляция.

2 класс – коагулирование, отстаивание, обеззараживание.

3 класс – то что и 2 класс, только с применением полиэффекторных методов фильтрации.

Места децентрализованного водоснабжения :

В сельской местности, при наличии источника подземных вод. Устанавливают или рытые или буровые колодцы.

Рытые колодцы.

Почву охраняют от затопления, заболачивания. Стенки колодца более проницаемы, возвышение над поверхностью не менее 80 см. Вокруг колодца на глубину 2 м и ширину 100 на 70 убирают грунт, заполняют глиной. Забор воды должен осуществляться так, что бы не выносились загрязнения.

Буровые колодцы – бурят землю, наверху устанавливают электронасос.

Достоинства: увеличена глубина, стенки не проницаемы.

Обследование колодца:

1. Санитарно-эпидемиологический (выявление заболеваний передающихся через воду)

2. Санитарно-технический

Обработка воды в колодце:

После ремонта

При наличии инфекционных заболеваний

Временное хлорирование при загрязнении грунтовых вод 1,5 – 2 л/на 1 м колодца.

Непрерывное – из объема 0,25-1 л в подвод добавляют 150-600 гр извести, раствор диффундирует в течении 30 суток.



Методы обработки воды, с помощью которых достигается доведение качества воды источников водоснабжения до требований СанПиН 2.1.4.2496-09 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества. Гигиенические требования к обеспечению безопасности систем горячего водоснабжения», зависят от качества исходной воды водоисточников и подразделяются на основные и специальные. Основными способами являются:

Осветление

Обесцвечивание

Обеззараживание

Под осветлением и обесцвечиванием понимается устранение из воды взвешенных веществ и окрашенных коллоидов (в основном, гумусовых веществ). Путем обеззараживания устраняют содержащиеся в воде водоисточника инфекционные агенты – бактерии, вирусы и др.

В тех случаях, когда применение только основных способов недостаточно, используют специальные методы очистки (обезжелезивание, обесфторивание, обессоливание и др.), а также введение некоторых необходимых для организма человека веществ – фторирование, минерализация обессоленных и маломинерализованных вод.

В отношении удаления химических веществ наиболее эффективным является метод сорбционной очистки на активных углях, сорбционная очистка также значительно улучшает органолептические свойства воды.

Методы обеззараживания воды подразделяются на:

1. Химические (реагентные), к которым относятся:

Хлорирование

Озонирование

Использование олигодинамического действия серебра

2. Физические (безреагентные):

Кипячение

Ультрафиолетовое облучение

Облучение гамма-лучами и др.

Основным методом для обеззараживания воды на водопроводных станциях в силу технико-экономических причин является хлорирование. Однако всё большее внедрение получает метод озонирования, и его применение, в том числе, в комбинации с хлорированием имеет преимущества для улучшения качества получаемой воды.

При введении хлорсодержащего реагента в воду основное его количество – более 95% расходуется на окисление органических и легкоокисляющихся 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 . По окончании процесса связывания хлора содержащимися в воде веществами и бактериями в воде начинает появляться остаточный активный хлор, что является свидетельством завершения процесса хлорирования. Присутствие в воде, подаваемой в водопроводную сеть, остаточного активного хлора в концентрациях 0,3-0,5 мг/л является гарантией эффективности обеззараживания воды, необходимо для предотвращения вторичного загрязнения в разводящей сети и 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 xлopпoтребностью воды .

В практике водоподготовки используется несколько способов хлорирования воды:

1. Хлорирование нормальными дозами (по хлорпотребности)

2. Хлорирование с преаммонизацией и др.

3. Гиперхлорирование (доза хлора заведомо превышает хлорпотребность).

Процесс обеззараживания обычно является последней ступенью схем обработки воды на водопроводных станциях, однако в ряде случаев при значительном загрязнении исходных вод применяется двойное хлорирование – до и после осветления и обесцвечивания. Для снижения дозы хлора при заключительном хлорировании, весьма перспективным является комбинирование хлорирования с озонированием.

Хлорирование с преаммонизацией . При этом способе в воду помимо хлора вводится также аммиак, в результате чего происходит образование хлораминов. Этот метод употребляется для улучшения процесса хлорирования:

При необходимости транспортировки воды по трубопроводам на большие расстояния, т.к. остаточный связанный (хлораминный) хлор обеспечивает более длительный бактерицидный эффект, чем свободный;

При содержании в исходной воде фенолов, которые при взаимодействии с свободным хлором образуют хлорфенольные соединения, придающие воде резкий аптечный запах. Хлорирование с преаммонизацией приводит к образованию хлораминов, которые из-за более низкого окислительно-восстановительного потенциала в реакцию с фенолами не вступают, поэтому посторонние запахи и не возникают. Однако в силу более слабого действия хлораминного хлора остаточное количество eго в воде должно быть выше, чем свободного и составлять не менее 0,8-1,2 мг/л.

Озонирование является эффективным реагентным способом обеззараживания воды. Являясь сильным окислителем, озон повреждает жизненно важные ферменты микроорганизмов и вызывает их гибель. Преимущество озонирования заключается в том, что при этом способе улучшаются вкус и цветность воды. Озонирование не оказывает отрицательного влияния на минеральный состав и рН воды. Избыток озона превращается в кислород, поэтому остаточный озон не опасен для организма человека. Озонирование производится при помощи специальных аппаратов – озонаторов, контроль за процессом озонирования менее сложен, так как эффект не зависит от температуры и рН воды.

С декабря 2007 года в г. Санкт-Петербург реализована комплексная технология обеззараживания питьевой воды с использованием ультрафиолетового излучения, сочетающая высокий эффект обеззараживания и безопасность для здоровья населения. Подсчитанный Институтом медико-биологических проблем и оценки риска здоровью экономический эффект и предотвращенный ущерб здоровью населения в результате этого составил 742 млн.. руб.

В связи с тем, что только 1-2% (до 5литров в сутки) человек расходует на питьевые нужды, в последний период времени предполагается разработка и внедрение двух гигиенических нормативов водопроводной и питьевой воды – «Вода безопасна для населения» и «Вода повышенного качества – полезна для взрослого человека, физиологически полноценная».

Первый норматив обеспечит гарантированную безопасность воды в централизованных системах водоснабжения.

Второй норматив установит конкретные требования к «абсолютно здоровой воде» во всем её многообразии полезного воздействия на организм человека. Существует ряд вариантов обеспечения потребителей водой повышенного качества:

· производство расфасованной воды

· устройство локальных автономных систем доочистки и коррекции качества воды.

ТЕМА 11. ФИЗИОЛОГИЯ ФИЗИЧЕСКОГО И УМСТВЕННОГО ТРУДА. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЯЖЕСТИ И НАПРЯЖЕННОСТИ ТРУДОВОГО ПРОЦЕССА

ТЕМА 12. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ, ПРИНЦИПЫ ИХ ГИГИЕНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ. ПРОФИЛАКТИКА ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ, ВЫЗВАННЫХ ФАКТОРАМИ ФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

ТЕМА 13. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ХИМИЧЕСКИХ И БИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ, ПРИНЦИПЫ ИХ ГИГИЕНИЧЕСКОГО НОРМИРОВАНИЯ. ПРОФИЛАКТИКА ПРОФЕССИОНАЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ, ВЫЗВАННЫХ ФАКТОРАМИ ХИМИЧЕСКОЙ И БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ

ТЕМА 14. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАСТРОЙКИ, ПЛАНИРОВКИ И РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ АПТЕЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ (АПТЕК)

ТЕМА 15. ГИГИЕНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К УСЛОВИЯМ ТРУДА АПТЕЧНЫХ РАБОТНИКОВ

ТЕМА 16. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАСТРОЙКИ, ПЛАНИРОВКИ И РЕЖИМА ЭКСПЛУАТАЦИИ ОПТОВЫХ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКИХ ОРГАНИЗАЦИЙ (АПТЕЧНЫХ СКЛАДОВ) И КОНТРОЛЬНО- АНАЛИТИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ

ТЕМА 6. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ

ТЕМА 6. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ

Цель занятия: Изучить методы очистки и обеззараживания воды, научиться проводить пробную коагуляцию и пробное хлорирование воды.

При подготовке к занятию студенты должны проработать следующие вопросы теории.

1. Способы очистки воды: а) физические (отстаивание, фильтрация); устройство горизонтального и вертикального отстойников; б) химические (коагуляция); схемы сооружений по очистке воды в городской и сельской местности.

2. Способы обеззараживания воды: а) физические (безреагентные); б) химические (реагентные). Их гигиеническая оценка.

3. Хлорирование воды. Понятие о хлорпотребности, хлорпоглощаемости и остаточном хлоре.

4. Способы хлорирования воды: а) хлорирование нормальными дозами хлора; б) хлорирование допереломными и послепереломными дозами хлора; в) хлорирование с преаммонизацией; г) перехлорирование.

5. Специальные методы улучшение качества питьевой воды.

После освоения темы студент должен знать:

Методы улучшения качества воды (проведения пробного хлорирования, обеззараживания воды с применением различных способов хлорирования);

уметь:

Оценить целесообразность и эффективность методов по улучшению качества воды;

Использовать основные нормативные документы и информационные источники справочного характера для разработки гигиенических рекомендаций по применению схемы очистки воды, предназначенной для хозяйственно-питьевого пользования, и необходимых методов обработки воды с учетом качества воды источника, его санитарного состояния и территории вокруг него.

Учебный материал для выполнения задания

Использование природных вод открытых водоемов для хозяйственно-питьевого водоснабжения требует предварительного улучшения свойств воды и ее обеззараживания. Средства по улучшению качества питьевой воды включают в себя методы очистки воды, улучшающие органолептические свойства воды, и методы ее обеззараживания, целью которых является уничтожение патогенных микроорганизмов, т.е. обеспечение эпидемиологической безопасности воды.

На водопроводных очистных сооружениях применяются физические (отстаивание и фильтрация) и химические (коагуляция) методы очистки воды. Они позволяют освободить воду от взвешенных частиц, гуминовых соединений, яиц гельминтов, частично от микроорганизмов, от избытка солей, химических и радиоактивных веществ и дурно пахнущих газов. Для ускорения процесса осветления и обесцвечивания на водопроводных станциях часто используется предварительная химическая обработка воды коагулянтами (сернокислым алюминием - Al2(SO4)3, хлорным железом - FeCl3, сернокислым железом - FeSO4) и флокулянтами, образующими при реакции с бикарбонатом воды коллоидный раствор гидрата окиси алюминия, который в дальнейшем коагулирует с образованием хлопьев:

A1 2 (SO 4) 3 + Ca(HCO 3) 2 → 2A1(OH) 3 + 3CaSO 4 + 6CO 2 .

Процесс оседания сопровождается адсорбцией органических примесей, микроорганизмов, яиц гельминтов и пр. В качестве флокулянтов применяют водорастворимые высокомолекулярные соединения, например полиакриламид. Эффект коагуляции зависит от бикарбонатной жесткости воды и от дозы коагулянта. При недостаточном количестве коагулянта не достигается полное осветление воды, а при избытке - вода приобретает кислый вкус и возможно вторичное образование хлопьев. Процесс коагуляции проходит успешно при температуре воды не выше 5 ?С и бикарбонатной жесткости не менее 4-7?. Фильтрация - процесс более полного освобождения воды от взвешенных частиц при пропускании ее через фильтрующий мелкопористый материал (песок).

Обеззараживание воды

Для обеззараживания воды на водопроводах используются различные физические и химические методы. К химическим (реагент- ным) методам относятся хлорирование, озонирование и обработка воды ионами серебра. Наиболее распространенным методом до настоящего времени является обработка воды соединениями хлора: газообразным хлором Сl2, двуокисью хлора СlO2, хлорной известью Са(ОС1)2 . СаО . Н2О, гипохлоритом кальция Са(ОС1)2, хлораминами. Во всех случаях при контакте этих хлорсодержащих соединений с водой выделяется хлорноватистая кислота НОС1, которая частично диссоциирует в воде с выделением гипохлоритиона ОС1 - и хлориона C1 - :

C1 2 + H 2 O → HOC1 + HC1;

HOC1 → OC1 - + H + ; OCl - →Cl- + O.

Обеззараживающее действие оказывают гипохлорит-ион ОС1- и недиссоциированная хлорноватистая кислота и рассматриваются как «активный хлор». Бактерицидный эффект активного хлора свя- зывают с его окислительным действием на клеточные ферменты, входящие в состав бактериальной клетки, и прежде всего на SH-группы клеточной оболочки бактерий, регулирующие процессы дыхания и размножения. При обеззараживании воды хлором могут применяться разные способы хлорирования воды: нормальное хлорирование (хлорирование по хлорпотребности), хлорирование с преаммонизацией, хлорирование с учетом точки перелома, перехлорирование. На крупных водопроводах для хлорирования применяют газообразный хлор, поступающий в стальных баллонах или цистернах в сжиженном виде. Как правило, используется метод нормального хлорирования, т.е. метод хлорирования по хлорпотребности. Важное значение имеет выбор дозы, обеспечивающей надежное 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, и 2-3% от общего количества хлора - на бактерицидное действие. Количество активного хлора в миллиграммах, которое при хлорировании воды взаимодействует с органическими веществами и некоторыми солями, а также идет на окисление и обеззараживание микроорганизмов в 1 л воды в течение 30 мин, называ-

ется хлорпоглощаемостью. Хлорпоглощаемость воды определяется экспериментально путем проведения пробного хлорирования, так как ее количество зависит от степени загрязнения воды. Появление в воде остаточного активного хлора свидетельствует о завершении процесса хлорирования воды и служит косвенным показателем ее безопасности в эпидемиологическом отношении. Присутствие остаточного активного хлора в концентрациях 0,3-0,5 мг/л является гарантией эффективного обеззараживания. Кроме того, наличие остаточного хлора необходимо для предотвращения вторичного загрязнения воды в водопроводной сети. Хлорпотребность воды - это общее количество активного хлора в миллиграммах, обеспечивающее достаточный эффект обеззараживания воды и определяемое хлорпоглощаемостью воды и наличием остаточного количества активного хлора (0,3-0,5 мг/л) в воде. Хлорирование воды по методу нормального хлорирования наиболее приемлемо при централизованном водоснабжении, так как небольшие количества остаточного хлора не изменяют органолептических свойств воды (вкус и запах) и не требуют последующего дехлорирования.

Хлорирование с преаммонизацией применяется для обеззараживания воды, загрязненной промышленными сточными водами с присутствием фенола и других фенолсодержащих органических соединений, которые при реакции со свободным хлором образуют хлорфенолы, даже в ничтожных количествах придающие воде сильный аптечный запах. При этом способе вода вначале обрабатывается раствором аммиака, а через 0,5-2 мин хлорируется, в результате чего происходит образование хлораминов, не обладающих неприятными запахами. Остаточное количество активного хлора в воде после обеззараживания ее хлораминами в силу более слабого действия хлораминного хлора должно быть выше, чем свободного, и составлять не менее 0,8-1,2 мг/л.

При невозможности экспериментального определения хлорпоглощаемости воды используется метод перехлорирования. Перехлорирование проводится избыточными дозами хлорирующего препарата на основе оценки типа и состояния источника водоснабжения, качества очистки воды и эпидемической ситуации в зоне ограничений вокруг источника водоснабжения. Обеззараживание воды повышенными дозами хлора применяется обычно в полевых условиях, особенно при неудовлетворительных органолептических свойствах воды или неблагоприятном санитарно-топографическом

состоянии территории вокруг водоисточника, а также при наличии случаев инфекционных заболеваний в районе. Доза активного хлора для перехлорирования выбирается так, чтобы заведомо превысить хлорпоглощаемость воды и обеспечить избыточное количество остаточного хлора. Это позволяет сократить время контакта хлора с водой до 10-15 мин летом и до 30 мин зимой. Для обеззараживания воды повышенными дозами сравнительно чистой воды доза активного хлора обычно выбирается около 5-10 мг/л, для более загрязнен- ных вод с высокой цветностью и низкой прозрачностью используется доза в 10-20 мг/л, при сильном загрязнении воды и неудовлетворительной санитарно-эпидемической обстановке используются дозы 20-30 мг/л и выше.

Перехлорирование применяется для дезинфекции шахтных колодцев при вспышке кишечных инфекций в населенном месте, попадании в воду колодцев сточных вод, фекалий, трупов животных и др. или с профилактической целью по окончании строительства колодца, после его чистки или ремонта. Для этого используется обычно 100-150 мг активного хлора на 1 л воды с последующим пере- мешиванием и отстаиванием в течение 1,5-2-6 ч и откачкой воды до исчезновения резкого запаха хлора. При обеззараживании воды методом перехлорирования обычно применяется хлорная известь, необходимое количество которой вычисляется исходя из намеченной дозы активного хлора и процентного содержания активного хлора в хлорной извести. Поскольку содержание остаточного хлора при перехлорировании может намного превышать допустимые дозы и вода приобретает неприятный вкус и запах, необходимо произвести удаление избытка хлора, т.е. дехлорировать воду. Для этого обычно применяется 0,01 н. раствор гипосульфита натрия или фильтрация воды через активированный уголь.

Недостатками метода хлорирования является ухудшение органолептических свойств воды, образование в воде токсичных веществ (хлорорганических соединений, диоксинов, хлорфенолов), продол- жительное время реакции воды с хлором и сложность подбора дозы при хлорировании нормальными дозами. Кроме того, бактерицидное действие химических реагентов распространяется не на все формы микроорганизмов. Однако высокая эффективность и технологическая надежность делают метод хлорирования самым распространен- ным в практике обеззараживания питьевой воды как в нашей стране, так и за рубежом.

Ионы серебра обладают выраженным бактериостатическим действием. Введение даже незначительного количества ионов серебра приводит к инактивации ферментов протоплазмы бактериальных клеток (олигодинамический эффект), потере способности к размножению и постепенной гибели. Серебрение воды может осуществляться разными способами: фильтрацией воды через песок, обработанный солями серебра; электролизом воды с серебряным анодом в течение 2 ч, что ведет к переходу катионов серебра в воду. Преимуществом метода является долгое хранение посеребренной воды. Из-за высокой стоимости серебро применяется для обеззараживания и консервации небольших объемов питьевой воды в системах автономного жизнеобеспечения. Метод не используется для воды с большим содержанием взвешенных органических веществ и ионов хлора. Озонирование основано на окислении органических веществ и других загрязнений воды озоном О 3 , являющимся сильным окислителем. Бактерицидные свойства озона обусловлены присутствием в воде атомарного кислорода и свободных короткоживущих радикалов и OH, которые образуются при разложении озона в воде. Показателем эффективности озонирования является остаточный озон в воде (0,1-0,3 мг/л). Преимущества метода состоят в том, что озон улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает надежное обеззараживание воды при малом времени контакта - до 10 мин. Однако высокая энергоемкость процесса получения озона затрудняет широкое внедрение этого метода.

Физические (нереагентные) методы обеззараживания воды: кипячение, обработка ультрафиолетовым (УФ) облучением, воздействие ультразвуковыми волнами, токами высокой частоты, гамма-лучами - применяются в зависимости от конкретных целей и условий обработки воды. Нереагентные методы обеззараживания имеют преимущества перед реагентными: они не изменяют химического состава воды и не приводят к образованию токсичных веществ, не ухудшают органолептических свойств, имеют широкий диапазон бактерицидного действия, так как действуют непосредственно на структуру микроорганизмов.

Наибольшее применение на водопроводных станциях имеет метод обеззараживания воды ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 200-275 нм; максимум бактерицидного действия УФ-лучей находится в диапазоне волн 260 нм. УФ-облучение воды вызывает быструю гибель вегетативных форм, вирусов, спор микроорганизмов, в том числе устойчивых к хлору.

При местном водоснабжении наиболее надежным методом обеззараживания воды является кипячение. В результате кипячения в течение 3-5 мин погибают все имеющиеся в воде микроорганизмы, а после 30 мин вода становится полностью стерильной (погибают споры бацилл).

Специальные методы улучшения качества воды, как правило, подземных источников ввиду ее высокой минерализации применяются с целью удаления из нее некоторых химических веществ и частичного улучшения органолептических свойств. К специальным методам обработки питьевой воды относятся: дезодорация, умягчение, опреснение, обезжелезивание, деконтаминация и ряд других. Дезодорация (устранение неприятных запахов) достигается за счет обработки воды окислителями (озонирование, большие дозы хлора, марганцовокислый калий) или фильтрованием через активированный уголь. Умягчение жесткой воды (более 20? жесткости) достигается фильтрацией через ионообменные смолы, загруженные катионитами (катионитный фильтр) для обмена катионов, или анионитами (анионитный фильтр) для обмена анионов. В результате этого происходит обмен ионов кальция Ca 2 + и магния Mg 2 + на ионы водорода H+ или натрия Na+. Опреснение воды, содержащей избыток минеральных солей (например, морской воды или воды в регионах с высокой засоленностью почв), осуществляется за счет ее фильтрации сначала через катионит, а затем через анионит, что позволяет освободить воду от всех растворенных в ней солей. Кроме этого, применяется дистилляция с последующим добавлением известковых солей до нормальной концентрации, характерной для питьевой воды, выпаривание с последующей конденсацией, вымораживание, электродиализ. Обезжелезивание воды, содержащей ионы железа в концентрации, превышающей ПДК (0,3 мг/л), проводится за счет ее аэрации путем разбрызгивания воды в специальных устройствах - градирнях. Метод основан на окислении растворимых солей двухвалентного железа и образовании нерастворимого в воде гидрата окиси железа Fe(OH) 3 , который затем осаждается в отстойнике и задерживается на фильтре. Снижение содержания радиоактивных веществ в воде (деконтаминация) осуществляется при применении основных методов ее очистки, при более высокой степени загрязнения радионуклидами воду фильтруют через ионообменные смолы.

Лабораторная работа «Определение дозы коагулянта в пробе воды, проведение пробного хлорирования воды для определения хлорпотребности, хлорпоглощаемости и количества остаточного хлора»

Задания студенту

1. Определить бикарбонатную жесткость пробы воды и в случае необходимости добавить в воду раствор соды.

2. Определить дозу коагулянта, требуемую для осветления данной пробы воды; рассчитать дозу коагулянта на 1 л воды.

3. Определить содержание активного хлора в сухой хлорной извести.

4. Определить «нормальную» дозу хлора для обеззараживания исследуемой пробы воды; рассчитать хлорпоглощаемость и хлорпотребность воды.

5. Решить ситуационную задачу по выбору дозы активного хлора и расчету количества хлорной извести для обеззараживания воды источника методом перехлорирования.

Методика работы

Определение дозы коагулянта

Доза коагулянта (сернокислого алюминия), необходимая для эффективной очистки воды, зависит от бикарбонатной жесткости воды, то есть содержания бикарбонатов кальция Ca(HCO 3) 2 и магния Mg(HCO 3) 2 , поскольку сернокислый алюминий частично расходуется на реакцию с этими соединениями. Поэтому необходимым условием выбора эффективной дозы коагулянта является предварительное определение жесткости воды по бикарбонату. 1-й этап: определение бикарбонатной жесткости воды Определение бикарбонатной жесткости воды основано на взаимодействии соляной кислоты с бикарбонатами кальция и магния по реакции:

HC1 + Ca(HCO 3) 2 → CaC1 2 + H 2 O + CO 2

В колбу налить 100 мл исследуемой воды, 3 капли 0,15% раствора метилоранжа и титровать 0,1 н. раствором НС1 до появления слаборозового окрашивания. Количество миллилитров НС1, пошедшее на титрование, нужно умножить на 2,8, чтобы получить величину

бикарбонатной жесткости в градусах. Если жесткость воды выше 4?, можно приступать к выбору необходимой дозы коагулянта. При бикарбонатной жесткости воды менее 4? перед пробной коагуляцией в воду необходимо добавить 1% раствор соды в количестве, составляющем половину дозы коагулянта (1,0; 1,5; и 2,0 мл).

2-й этап: выбор необходимой дозы коагулянта

В 3 стакана налить по 200 мл мутной воды. В первый стакан внести 2 мл, во второй - 3 мл, в третий - 4 мл 1% раствора глинозема - Аl2(SО4)3. Содержимое стаканов перемешать стеклянной палочкой и наблюдать за характером хлопьеобразования в течение 10 мин. Выбирается стакан с наименьшей дозой коагулянта, вызывающей быстрое образование и осаждение хлопьев в течение 10 мин. Если процесс происходит слишком быстро во всех стаканах (менее 5 мин) и крупные хлопья не успевают образоваться, следует провести пов- торное исследование с меньшим количеством глинозема. При отсутствии заметной коагуляции во всех стаканах опыт следует повторить с большими дозами коагулянта.

Пример расчета дозы коагулянта: если коагуляция лучше всего прошла во втором стакане, куда на 200 мл воды было внесено 3 мл 1% раствора глинозема, то коагуляция 1 л воды потребует 3 мл. 5 = 15 мл 1% раствора. Поскольку 1 мл 1% раствора содержит 0,01 г вещества, то это соответствует 0,15 г глинозема на 1 л воды (0,01 г. 15 мл = 0,15 г).

Обеззараживание воды хлорированием

1-й этап: определение активного хлора в хлорной извести Данное соединение выпускается с содержанием 32-35% активного хлора. При хранении под воздействием влаги, солнечного света и высокой температуры содержание активного хлора в хлорной извести понижается. Для обеззараживания воды допускается использовать хлорную известь с содержанием не менее 25% активного хлора, поэ- тому необходимо перед применением определить содержание в ней активного хлора. Принцип определения активного хлора основан на способности хлора вытеснять йод из растворов йодистого калия.

Са (ОС1) 2 + 4KI + 4НС1 → СаС1 2 + 4КС1 + 2Н 2 О + 2I 2 .

Выделение йода в раствор в достаточных количествах окрашивает его в коричневый цвет, в небольших количествах, что имеет место при

незначительной концентрации активного хлора в хлорной извести, - в слабо-желтый цвет. Добавление крахмала к раствору, содержащему свободный йод, окрашивает его в синий цвет, что может служить качественным признаком наличия активного хлора в хлорной извести. Выделившийся йод титруется гипосульфитом натрия Na2S2O3 в присутствии крахмала до исчезновения окраски раствора. Реакция протекает по уравнению:

I 2 + 2Na2S 2 О 3 → Na2S 4 О 6 + 2NaI.

Сначала нужно приготовить 1% раствор хлорной извести. Для этого в ступке 1 г хлорной извести растворить после тщательного размельчения в небольшом количестве дистиллированной воды, затем перелить в мерную колбу и довести до объема 100 мл. Раствор тщательно перемешать и оставить на 10 мин для осветления. В колбу налить 50 мл дистиллированной воды, 5 мл приготовленного 1% осветленного раствора хлорной извести, 5 мл 5% раствора йодида калия и 1 мл хлористоводородной кислоты в разведении 1:3. Раствор снова перемешать. В результате реакции между хлором, хлорной известью и йодидом калия выделяется определенное количество йода, эквивалентное содержанию хлора. Йод титровать 0,01 н. раствором гипосульфита натрия до слабожелтого окрашивания, после чего ввести 1 мл 1% раствора крахмала и титровать до исчезновения синего окрашивания. Отметить общее количества миллилитров гипосульфита, пошедшее на титрование.

Вычисление процента активного хлора проводится с учетом того, что 1 мл 0,01 н. раствора гипосульфита соответствует 0,355 мг активного хлора.

Пример расчета процента активного хлора в хлорной извести. На титрование 5 мл 1% раствора хлорной извести пошло 34,2 мл 0,01 н. раствора гипосульфита натрия. В 5 мл 1% раствора хлорной извести содержится:

34,2 0,355 = 12,4 мг активного хлора,

а в 1 мл - 12,4:5 = 2,428 мг, или 0,0024 г активного хлора.

Поскольку в 1 мл 1% хлорной извести содержится 0,01 г сухого вещества, то процент активного хлора в сухой хлорной извести рас- считывается из пропорции:

0,01 г сухой извести - 0,0024 г активного хлора;

100 г сухой извести - Х г активного хлора,

следовательно: Х = 100 0,0024 / 0,01 = 24%.

2-й этап: определение дозы хлора для нормального хлорирования воды (хлорирования по хлорпотребности)

При обеззараживании воды нормальными дозами хлора большое значение имеет правильный выбор этой дозы. Для этого необходимо взять такое количество хлорсодержащего соединения (например, хлорной извести), которое способно обеспечить хороший бактерицидный эффект и наличие в воде 0,3-0,5 мг/л остаточного хлора после 30-минутного контакта воды с хлором летом и 1-2-часового зимой.

Необходимая для обеззараживания 1 л воды доза соединения, содержащего активный хлор (в данном опыте хлорной извести), устанавливается путем опытного хлорирования воды и последующего контрольного определения в ней остаточного хлора. В основе экспериментального определения хлорпоглощаемости воды лежат те же химические реакции, что и при определении концентрации активного хлора в хлорной извести. Оценку эффективности хлорирования проводят по остаточному содержанию активного хлора, который обязательно должен присутствовать в воде после 30-минутного контакта ее с хлором. Это количество определяют опытным путем. В 3 стакана налить по 200 мл воды. В каждый стакан осторожно тарированной пипеткой, 1 мл которой содержит 20 капель раствора, внести 1% раствор хлорной извести с определенным процентом активного хлора: в первый стакан - 2, во второй - 4 и в третий - 6 капель. Затем тщательно перемешать и оставить на 30 мин. За это время органические вещества и микробные тела подвергаются окислению. Через 30 мин приступить к определению остаточного хлора. В каждый из трех стаканов внести по 5 мл 5% раствора йодистого калия KI, 1 мл водного раствора соляной кислоты НС1 (1:3) и 1 мл 1% раствора крахмала. Содержимое стаканов перемешать и отметить появление синей окраски, которая свидетельствует о наличии остаточного хлора в воде. По количеству хлорной извести, внесенной в стакан, где появилось наименее интенсивное окрашивание, приблизительно рассчитать требующуюся для нормального хлорирования дозу 1% раствора хлорной извести в миллилитрах или в граммах сухого вещества. Отсутствие синего окрашивания является свидетельством отсутствия остаточного хлора, что указывает на недостаточное количество хлора для данной пробы воды, которое полностью израсходовано на обеззараживание.

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.