Гигиеническая характеристика методов улучшения качества воды

Методов улучшения качества воды много, и они позволяют освободить воду от опасных микроорганизмов, взвешенных частиц, гуминовых соединений, придающих воде цвет, от избытка солей (кальция, магния, железа, марганца, фтора и др.), дурнопахнущих газов, токсических и радиоактивных веществ.

Применение различных методов улучшения качества воды позволяет в максимальной мере использовать водные ресурсы местности и обеспечить население доброкачественной водой.

К числу наиболее часто применяемых методов улучшения качества воды на водопроводах относятся: осветление — устранение мутности воды, обесцвечивание — устранение цветности воды, обеззараживание — освобождение воды от патогенных микробов и вирусов.

Осветление и обесцвечивание воды

Осветление и частичное обесцвечивание воды достигаются путем длительного отстоя. Отстаивание основано на том, что в стоячей или медленнотекущей воде взвешенные вещества, имеющие большую плотность, чем вода, выпадают и осаждаются на дно. Отстаивание осуществляется как в самих источниках водоснабжения, так и в водохранилищах. Но естественный отстой протекает медленно, и эффективность обесцвечивания при нем невелика. Поэтому в настоящее время для осветления и обесцвечивания воды часто применяют химическую обработку коагулянтами, ускоряющую осаждение взвешенных частиц.

Процесс осветления и обесцвечивания воды, как правило, завершают фильтрованием воды через слой зернистого материала, например через песок или измельченный антрацит. Применяют два вида фильтрования — медленное и скорое.

Естественное отстаивание и медленное фильтрование воды.

Естественное отстаивание воды производят в горизонтальных отстойниках, представляющих собой резервуары глубиной в несколько метров, через которые вода движется непрерывно с очень малой скоростью. Вода пребывает в отстойнике 4—8 часов. За это время осаждаются преимущественно грубодисперсные взвеси.

После отстаивания воду для окончательного осветления пропускают через медленно действующий фильтр. Он представляет собой кирпичный или бетонный резервуар, на дне которого устраивают дренаж из железобетонных плиток или дренажных труб с отверстиями. Через дренаж профильтрованная вода отводится из фильтра. Поверх дренажа загружают поддерживающий слой толщиной 0,7 м щебня, гальки и гравия постепенно уменьшающейся кверху крупности, не дающей вышележащему песку просыпаться в отверстия дренажа. На поддерживающий слой загружают фильтрующий слой толщиной 1 м с диаметром зерен от 0,25 до 0,5 мм. Когда фильтр загружен, через него медленно, со скоростью 0,1—0,3 м/ч, пропускают очищаемую воду.

Медленно действующие фильтры хорошо очищают воду только после «созревания». Процесс «созревания» состоит в следующем. В результате задержки находящихся в воде взвешенных примесей в верхнем слое песка размер пор настолько уменьшается, что здесь начинают задерживаться даже самые мелкие частицы, личинки и яйца гельминтов и до 99% бактерий.

Одновременно в «созревшем» верхнем слое песка, называемом биологической пленкой, происходят ряд биологических процессов: минерализация органических веществ и гибель задержанных бактерий. Раз в 30—60 дней поверхностный слой загрязненного песка снимают.

Медленно действующие фильтры применяют на малых водопроводах, например для водоснабжения сел, совхозов, где надежность действия при сравнительно простой эксплуатации имеет решающее значение.

Коагулирование, отстаивание и скорое фильтрование воды.

Стремление ускорить осаждение взвешенных частиц, устранить цветность воды и ускорить процесс фильтрования привело к использованию в практике очистки воды коагулирования. Для этого к воде добавляют вещества, называемые коагулянтами: Аl2(SО4)3, FеСl3, FеSО4 и др. Реагируя с растворенными в воде электролитами, коагулянты образуют гидроокиси, выпадающие с образованием быстро оседающих хлопьев. Обладая огромной активной поверхностью и положительным электрическим зарядом, гидроокиси абсорбируют даже мельчайшую отрицательно заряженную взвесь микробов и коллоидные гуминовые вещества, которые увлекаются на дно отстойника оседающими хлопьями. После осаждения хлопьев в отстойнике и прохождения воды через фильтр, где задерживается остаток их, получается прозрачный и бесцветный фильтрат. Применение коагулирования позволяет обесцветить воду, сократить срок отстаивания воды до 2—3 ч и применить быстро действующие фильтры.

В качестве коагулянта чаще всего применяют сернокислый алюминий Аl2(SО4)3 х 18Н2О. В воде он вступает в реакцию с двууглекислыми солями кальция: Аl2(SО4)3 + ЗСа (НСО3) = 2Аl(ОН)3 + 3СаSО4 + 6СО2. Гидроокись алюминия Аl(ОН)3 плохо растворима в воде и выпадает в виде хлопьев. Коагулянт применяют в дозах от 30 до 200 мг на 1л воды/ Доза коагулянта, необходимая для обработки, зависит от цветности, мутности, pH воды и многих других условий, отчего ее подбирают опытным путем. В последние годы применяют высокомолекулярные вещества — флоккулянты. в ничтожных дозах облегчающие и ускоряющие коагуляцию. Например, полиакриламид (ПАА) в дозе 0,5—2 мг на 1л воды значительно ускоряет коагуляцию и экономит коагулянт. В качестве флоккулянта применяют также активированную кремнекислоту.

Технология коагулирования и дальнейшей обработки воды состоит в следующем. 5% раствор коагулянта посредством специального дозирующего устройства в необходимом количестве подается в смеситель, где происходит быстрое перемешивание его с водой. Отсюда вода поступает в камеру реакции, где в течение 10—20 мин. завершается процесс хлопьеобразования, и далее в резервуар-отстойник, где оседают хлопья. Размеры отстойника рассчитаны на 2—3-часовое отстаивание воды.

После коагуляции и отстаивания вода подается на скорые фильтры, в которых фильтрующий слой песка с величиной зерен от 0,5 до 1 мм составляет 0,8 м. Скорость фильтрации воды 5—8 м/ч; она автоматически регулируется.

Вскоре после начала работы в верхнем слое песка образуется фильтрующая пленка, состоящая из не успевших осесть в отстойнике хлопьев коагулянта и приставших к ним частиц. Это улучшает процесс задержки взвешенных примесей и микробов. Спустя 8—12 ч работы пленка уплотняется, скорость фильтрации падает, работу фильтра приостанавливают и для удаления пленки промывают его в течение 10—15 мин током чистой воды, направляемой снизу вверх.

После коагуляции, отстаивания и фильтрования вода .становится прозрачной, обесцвечивается, освобождается от яиц гельминтов и от 70—98% содержащихся в ней микробов.

В последние годы в практику водоснабжения внедряются различные модификации скорых фильтров (например, двухслойные), а также контактные осветлители. Контактные осветлители выполняют функцию смесителя, камеры реакции и фильтра, делая излишним отстойник. Они эффективны при очистке воды с мутностью, не превышающей 150 мг/л.

Обеззараживание воды

Обеззараживание принадлежит к числу наиболее широко применяемых методов улучшения качества воды. Оно применяется довольно часто при использовании подземных, главным образом грунтовых, вод и во всех случаях использования поверхностных вод. Обеззараживание является обычно заключительным и наиболее важным процессом улучшения качества воды на водопроводе.

Обеззараживание воды может осуществляться химическими и физическими безреагентными методами. При химических методах в воду вносятся обладающие бактерицидным действием реагенты: газообразный хлор, различные соединения, содержащие так называемый активный хлор, озон, соли серебра и др. К_физическим методам относятся кипячение, облучение ультрафиолетовыми лучами, воздействие ультразвуковыми волнами, токами высокой частоты, быстрыми электронами или гамма-лучами и др. В настоящее время наибольшее распространение имеют: на водопроводах — хлорирование, озонирование, облучение ультрафиолетовыми лучами, а в условиях местного водоснабжения — кипячение.

Хлорирование воды.

Россия была одной из первых стран, в которой хлорирование воды стало применяться на водопроводах (1910). Однако оно применялось лишь при вспышках водных эпидемий. После победы Великой Октябрьской социалистической революции хлорирование применяется на всех, водопроводах, забирающих воду из открытых водоемов. Кроме того, хлорирование осуществляется на ряде водопроводов с ненадежными в эпидемиологическом отношении подземными источниками. В настоящее время хлорирование воды является одним из наиболее широко распространенных профилактических мероприятий, сыгравших огромную роль в предупреждении водных эпидемий.

Столь широкое применение хлорирования объясняется надежностью обеззараживания, доступностью осуществления и экономическими преимуществами.

Существуют многочисленные способы хлорирования, например хлорирование обычными и «послепереломными» дозами хлора, хлорирование с аммонизацией, суперхлорирование, хлорирование хлораминовыми таблетками и т. д. Это позволяет применять хлорирование в разных условиях — на крупном водопроводе и для обеззараживания воды в бочке на полевом стане, на небольшом колхозном водопроводе и во фляге с водой.

Принцип хлорирования основан на обработке поды хлором или химическими соединениями, содержащими хлор в активной форме, обладающей окислительным и бактерицидным действием. Химизм происходящих процессов объясняют следующим образом. При добавлении хлора к воде происходит гидролиз его: Cl2 + НОН = НОСl + НСl, т. е. образуются соляная и хлорноватистая кислоты. Во всех гипотезах, пытающихся объяснить механизм бактерицидного действия хлора, хлорноватистой кислоте отводится центральное место.

Ранее полагали, что хлорноватистая кислота разлагается в воде с выделением атомарного кислорода (по уравнению НОСl = НСl + О), который выполняет роль основного бактерицидного агента. В настоящее время это объяснение признано недостаточным. Оказалось, что в природных водах хлорноватистая кислота при рН более 6,0 диссоциирует на ионы Н - и ОСl+. (гипохлорид-ион) по уравнению НОС1 = Н- + ОС1+. При рН = 7,2 +- 7,5 в воде находится примерно одинаковое количество хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона, а с повышением величины pH равновесие сдвигается вправо.

Хлор, присутствующий в воде в виде хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона, рассматривают как свободный активный хлор, так как новейшими исследованиями показано, что при хлорировании воды бактерицидное действие определяется в основном концентрацией хлорноватистой кислоты и несколько менее гипохлорит-ионом.

Небольшие размеры молекулы и электрическая нейтральность позволяют хлорноватистой кислоте быстро пройти через оболочку бактериальной клетки и воздействовать на клеточные ферменты, существенно важные для обмена веществ и процессов размножения клетки. Предполагается, что реакция идет с SН-группами ферментов, которые окисляются хлорноватистой кислотой и гипохлорит-ионом. Высказанная гипотеза в значительной мере подтверждена экспериментально.

При электронной микроскопии кишечной палочки, подвергшейся воздействию хлора, выявлено повреждение клеточной оболочки, нарушение ее проницаемости, уменьшение объема клетки.

Надежный обеззараживающий эффект при хлорировании достигается в том случае, если после 30-60 мин. обеззараживания в воде остается 0,3=0,5 мг/л_свободного хлора или 0,8—1,2 мг/л связанного хлора, свидетельствующее о достаточном количестве введенного в воду дезинфицирующего агента. При санитарном контроле воды на водопроводах содержание остаточного хлора в ней определяют каждый час. Не реже одного раза в сутки отбирают пробу воды для бактериологического исследования.

Гигиенические исследования, выполненные на экспериментальных животных (в течение 9 лет на 7 поколениях) и добровольцах, показали, что употребление хлорированной воды даже с большой концентрацией остаточного свободного хлора (2,5 мг/л и более) не вызывает какой-либо патологии. У добровольцев не отмечалось раздражения эпителия слизистой оболочки рта и негативного влияния на секрецию желудочного сока, а у животных не отразилось на темпах роста, картине периферической крови, функциональном состоянии внутренних органов, функции размножения; частота возникновения злокачественных опухолей была такой же, как в контроле; не наблюдалось укорочения длительности жизни животных. О безопасности употребления хлорированной воды свидетельствует и многолетний опыт применения этого метода обеззараживания воды почти во всех странах мира.

Однако в последние годы возник вопрос о безопасности хлорированной воды в связи с сообщением о наличии статистически достоверной связи между концентрацией хлороформа (канцерогенно активного вещества) в воде 50 водопроводных станций США и уровнем смерти от рака людей, потребляющих эту воду. Дальнейшие исследования показали, что различные хлорорганические соединения (хлороформ, тетрахлорэтилен и др.) и полихлорированные бифенилы (также канцерогенные вещества) часто присутствуют в воде открытых водоемов США, сильно загрязняемых сточными водами. Кроме того, хлороформ и другие хлорорганические соединения могут образовываться в небольших количествах в процессе хлорирования воды. Эти факты свидетельствуют о необходимости дальнейшего совершенствования методов обработки воды с целью предупреждения образования потенциально опасных веществ или снижения их концентрации. В частности, это может быть достигнуто лучшей очисткой воды перед хлорированием, применением минимально необходимых для обеззараживания доз хлора, использованием метода хлорирования с преаммонизацией, фильтрованием хлорированной воды через фильтры с активированным углем, сорбирующим хлорорганические соединения. На небольших водопроводах может применяться аэрирование воды, при котором из нее удаляется до 90% хлороформа и других летучих соединений.

На крупных водопроводах для хлорирования воды применяют газообразный хлор. Хлор поступает в стальных баллонах или цистернах в жидком виде. На водопроводных станциях к баллону присоединяют специальные аппараты — хлораторы, дозирующие поступление хлора в обеззараживаемую воду.

На небольших водопроводах, а также в случае необходимости обеззаразить небольшие объемы воды в бочках или других резервуарах вместо хлора пользуются хлорной известью. Бактерицидное действие хлорной извести обязано группе (ОС1), которая в водной среде образует хлорноватистую кислоту.

Хлорная известь содержит до 36% активного хлора. При хранении она разлагается. Свет, влажность и высокая температура ускоряют потерю активного хлора. Поэтому хлорную известь хранят в бочках в темном, прохладном, сухом, хорошо проветриваемом помещении, а перед использованием проверяют ее активность в санитарной лаборатории. В среднем для расчетов принимают содержание активного хлора в хлорной извести равным 25%. Кроме хлора и хлорной извести, для обеззараживания воды можно применять двутретьосновную соль гипохлорита кальция (ДТСГК), двуокись хлора (С1О2), гипохлорит кальция Са(ОС1)2 и различные хлорамины. Органическими хлораминами называют производные NH3, у которых один атом водорода замещен на органический радикал, а один или оба других замещены на хлор. К неорганическим хлораминам относятся соединения, получающиеся в результате взаимодействия хлора с аммиаком или солями аммония. Хлорамины обладают окислительными и бактерицидными свойствами, но более слабыми, чем хлор, хлорная известь или ДТСГК.

Обычное хлорирование (по хлорпотребности). При этом методе хлорирования большое значение имеет правильный выбор дозы активного хлора, необходимой для надежного обеззараживания воды.

При обеззараживании воды лишь 1 — 2% активного хлора затрачивается на непосредственное бактерицидное действие. Остальной хлор вступает во взаимодействие с легко окисляющимися минеральными и органическими соединениями, находящимися в воде, и поглощается взвешенными веществами. Все эти формы связывания хлора объединяются в понятие хлорпоглощаемость воды.

Поскольку природные воды имеют различный состав, то и хлорпоглощаемость у них различна. Если ввести в воду хлор в количестве большем, чем хлорпоглощаемость, на 0,5 мг/л, он делает воду непригодной для питья, придавая ей хлорный привкус и запах. Поэтому при обеззараживании добавляют в воду такое количество хлорсодержащего препарата, чтобы после обработки вода содержала 0,3— 0,5 мг/л так называемого остаточного свободного или 0,6—1 мг остаточного хлораминного хлора, который, не ухудшая вкуса воды и не являясь вредным для здоровья, свидетельствует о надежности обеззараживания, поскольку имеется некоторый избыток хлора. Количество активного хлора в миллиграммах, необходимое для обеззараживания 1 л воды, называют хлорпотребностью.

Хлорпотребность воды определяют путем опытного хлорирования определенных объемов подлежащей обеззараживанию воды разными дозами хлора или хлорной извести.

Кроме правильного выбора дозы хлора, необходимым условием эффективного обеззараживания является хорошее смешение и достаточный контакт хлора с водой. Контакт воды с хлором должен быть летом не менее 30 минут, а зимой не менее 1 часа.

Наличие в воде взвешенных частиц, гуминовых и других органических соединений снижает действие хлора. Поэтому для надежного обеззараживания мутные и цветные воды рекомендуется предварительно осветлять и обесцвечивать.

В тех случаях, когда требуется хлорировать воду, находящуюся в бочке или другом резервуаре, определяют объем последнего и рассчитывают количество хлорной извести, необходимое для обеззараживания. Отвесив нужное количество, его вносят в бутыль или какую-либо другую посуду, добавляют такое количество воды, чтобы получился приблизительно 1—2% раствор, тщательно перемешивают хлорную известь с водой, дают ей отстояться и осветленный раствор добавляют к дезинфицируемой воде. Воду с раствором хлорной извести тщательно перемешивают и оставляют на 30—60 минут. После этого, определив наличие остаточного хлора и органолептические качества воды, разрешают пользование ею.

При описанном методе хлорирования по хлорпотребности вода надежно обеззараживается от патогенных бактерий, образующих лишь вегетативные формы (например, возбудители острых кишечных инфекций, туляремии, лептоспироза) и вирусов. Вода, содержащая цисты дизентерийной амебы, споровые формы сибирской язвы, яйца гельминтов, не обеззараживается этим методом. Кроме обычного хлорирования по хлорпотребности применяют и другие модификации .хлорирования: двойное хлорирование, хлорирование с аммонизацией, перехлорирование и др.

Двойное хлорирование.

На многих речных водопроводах хлор подается в воду первый раз перед отстойниками, а второй — как обычно, после фильтров.

Введение хлора перед отстойниками улучшает коагуляцию и обесцвечивание воды, подавляет рост микрофлоры в очистных сооружениях, увеличивает надежность обеззараживания, однако возрастает возможность образования хлорорганических соединений.

Хлорирование с преаммонизацией.

При этом способе хлорирования в обеззараживаемую воду вводят раствор аммиака, а через 0,5—2 мин — хлор. При этом в воде образуются обладающие бактерицидным действием хлорамины, NH2Cl — монохлорамин и NHCl2 — дихлорамин, из которых монохлорамин обладает несколько более выраженным бактерицидным действием. Эффективность хлорирования с аммонизацией зависит от соотношения NH3 : С1, причем применяют дозировки этих реагентов в соотношениях 1:3, 1:4, 1:6, 1:8. Для воды каждого источника приходится подбирать наиболее эффективное соотношение.

Метод преамионизации применяется с целью поедудреждеаия неприятных—запахов, возникающих иногда при хлорировании воды, содержащей фенолы или фенолоподобные вещества. Образующиеся хлорфенолы даже в ничтожных концентрациях придают воде аптечный привкус и запах. Хлорамины же, обладая более слабым окислительным потенциалом, не образуют с фенолами хлорфенолов.

Скорость обеззараживания воды хлораминами меньше скорости обеззараживания хлором, поэтому продолжительность дезинфекции воды при хлорировании с преаммонизацией должна быть не_менее 2 ч.

Перехлорирование.

При этом методе к воде добавляют большие дозы хлора, например, 10—20 мг/л, вследствие чего надежный бактерицидный эффект достигается уже при 15-минутной экспозиции. При перехлорировании в течение 30—60 минут достаточно надежно обеззараживаются даже мутные воды. От воздействия больших доз хлора погибают столь стойкие к хлору возбудители, как риккетсии Берне - та, цисты дизентерийной амебы, туберкулезные бактерии и вирусы. Однако и при этих дозах хлора не может быть достигнуто надежное обеззараживание воды от спор сибирской язвы и яиц гельминтов. После обеззараживания перехлорированием в воде остается большой избыток хлора. Процесс освобождения воды от него носит название дехлорирования. Воду дехлорируют фильтрованием через слой активированного угля или путем добавления к ней гипосульфита натрия в количестве 3,5 мг на 1 мг остаточного хлора. Перехлорирование воды применяется преимущественно в экспедициях и военных условиях.

Озонирование воды.

Озон в воде разлагается с образованием атомарного кислорода: О3 = О2 + О. В последнее время доказано, что механизм распада озона в воде сложнее — протекает ряд промежуточных реакций с образованием свободных радикалов (например, НО2), также обладающих окислительными свойствами. Более сильное окислительное и бактерицидное действие озона, чем хлора, объясняют тем, что его окислительный потенциал ( + 1,9 в) больше окислительного потенциала хлора ( + 1,36 в). Озонирование с гигиенической точки зрения является одним из лучших методов обеззараживания воды.»При озонировании вода обеззараживается надежно, разрушаются органические примеси, а органолептические свойства ее не только не ухудшаются, как при хлорировании и кипячении, а даже улучшаются: уменьшается цветность воды, устраняются посторонние привкусы и запахи. Вода приобретает приятный голубоватый оттенок, и население приравнивает ее к ключевой. Избыток озона быстро распадается с образованием кислорода.

Доза озона, необходимая для обеззараживания, для большинства вод от 0,5 до 6 мг/л; для обесцвечивания и улучшения органолептических свойств воды могут требоваться и большие дозы. Продолжительность обеззараживания воды с помощью озона — 3—5 минут.

Остаточного озона (после камеры смешения) должно быть 0,1-0,3 мг/л. В Советском Союзе озонирование воды частично применяется на водопроводах Москвы, Киева, Донбасса и др. Совершенствование аппаратуры для получения озона (озонаторов) и удешевление электроэнергии откроет более широкие перспективы для применения озонирования на водопроводах.

Облучение воды ультрафиолетовыми лучами.

Еще в конце прошлого столетия А. Н. Маклаковым было установлено, что короткие ультрафиолетовые лучи обладают бактерицидным действием. Максимально эффективными оказались лучи с длиной волны 250—260 нм, проникающие даже через 25-сантиметровый слой прозрачной и бесцветной воды.

Обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами происходит весьма быстро: при 1—2 минутах облучения погибают вегетативные формы патогенных микроорганизмов. Мутность, а особенно цветность и соли железа, уменьшая проницаемость воды для бактерицидных лучей, замедляют обеззараживание.

Таким образом, необходимой предпосылкой для надежного обеззараживания воды ультрафиолетовыми лучами является ее предварительное осветление и обесцвечивание.

Облучение ультрафиолетовыми лучами имеет ряд преимуществ перед хлорированием. Бактерицидные лучи не денатурируют воду и не изменяют ее органолептических свойств, а также обладают более широким спектром абиотического действия. Их губительное действие распространяется на споры, вирусы и яйца гельминтов, устойчивые к хлору.

Кипячение воды.

Кипячение является простым и в то же время наиболее надежным методом обеззараживания воды.

Вегетативные формы патогенных микроорганизмов погибают после 20—40-секундного нагревания при температуре 80°, и поэтому в момент закипания вода уже фактически обеззаражена, а при 3—5-минутном кипении имеется полная гарантия ее безопасности даже при сильном загрязнении взвешенными веществами и микробами.

При 30-минутном кипячении погибает подавляющее большинство споровых форм микробов, т. е. достигается стерилизация воды. В то время как хлорирование неэффективно действует на споры сибирской язвы, яйца и личинки гельминтов, кипячение убивает их. При 30-мннутном кипячении разрушается ботулинический токсин.

К факторам, препятствующим и ограничивающим возможность широкого применения кипячения как метода обеззараживания воды, относятся: невозможность применения кипячения для обеззараживания больших количеств воды на водопроводах, ухудшение вкуса воды из-за улетучивания газов, необходимость охлаждения воды и быстрое развитие микроорганизмов в кипяченой воде в случае ее вторичного загрязнения.

При пользовании водой, не прошедшей централизованного' обеззараживания, кипячение часто применяется в быту, в больницах, школах, детских учреждениях, на производствах, железнодорожных станциях и т. д. Для этой цели широкое применение получили кипятильники непрерывного действия с производительностью от 100 до 1000 л/ч. Действие последних основано на перебрасывании кипящей воды из котла в бак, служащий для ее разбора.

При использовании кипяченой воды для питьевого водоснабжения нужно особо тщательно мыть бачки для кипяченой воды перед их заполнением, а также ежедневно сменять воду, учитывая быстрое развитие микроорганизмов в кипяченой воде.