Гигиеническая оценка методов подготовки питьевой воды

К методам улучшения качества воды (водоподготовки) относятся: основные (осветление — удаление из воды взвешенных веществ, обесцвечивание — удаление окрашенных коллоидов или растворенных веществ, обеззараживание — уничтожение вегетативных форм патогенных микроорганизмов) и специальные (опреснение, дефторирование, смягчение, фторирование, обезжеле-зивание, детоксикация, дезодорация, дезактивация).

Микрофильтрация — это предварительное удаление из воды зоопланктона (мельчайших водных животных) и фитопланктона (мельчайших растительных организмов), способных к разрастанию на очистных сооружениях, что затрудняет их работу. Для предварительной очистки воды от планктона и крупных примесей используют микрофильтры и барабанные сита (рис. 11).

Микрофильтры представляют собой барабаны, на которые натянуты фильтрующие сетки из никелевой или бронзовой проволоки с размером ячеек 25—50 мкм. Скорость вращения барабана микрофильтра не должна превышать 0,1—0,3 м/с. Скорость фильтрации определяют из расчета 10—25 л/с на 1 м2 полезной площади сетки, погруженной на 4/5 диаметра в воду.

Микрофильтры целесообразно применять при содержании в 1 см3 исходной воды более 1000 клеток фитопланктона. Производительность микрофильтров составляет от 4 до 45 000 м3/сут. Микрофильтры могут задержать до 75% диатомовых, до 95% сине-зеленых водорослей, зоопланктон — полностью и до 35% взвешенных веществ, находившихся в исходной воде.

Барабанные сита используют для грубого процеживания воды. Их можно устанавливать на водозаборах вместо ленточных сеток. Размер ячеек барабанных сеток — 0,5 х 0,5 мм, а защитных — 10x10 мм.

Осветление и обесцвечивание воды достигается в зависимости от начальных показателей мутности и цветности естественным отстаиванием и фильтрацией на медленных фильтрах или коагуляцией, отстаиванием и фильтрацией на скорых фильтрах.

Отстаивание воды. Суть отстаивания состоит в том, что в стоячей или в медленно текущей воде взвешенные вещества, относительная плотность которых выше, чем воды, выпадают под действием силы тяжести и оседают на дно. Отстаивание происходит и в источниках водоснабжения, и в ковшах. Кроме того, на водопроводных станциях для осаждения взвешенных веществ применяют специальные сооружения — отстойники. Однако естественный процесс отстаивания происходит медленно и эффективность осветления и обесцвечивания при этом низкая.

Нахождение взвешенных веществ в толще воды во взвешанном состоянии и выпадение их в осадок зависит от: 1) скорости течения; 2) относительной плотности и диаметра частиц. Чем медленнее течет вода и чем тяжелее частицы, тем быстрее и полнее они оседают на дно. Осаждением удается удалить из воды грубодисперсные примеси (частицы размером более 100 мкм).

Природный способ осаждения взвеси не удовлетворяет современным требованиям очистки воды на водопроводах. Его основные недостатки — низкая скорость осаждения и необходимость в увеличении объема отстойника для продления процесса осаждения. Кроме того, наиболее мелкие взвешенные частицы не успевают осесть, а коллоидные частицы размером 0,001—0,1 мкм не выделяются вообще. Поэтому для повышения эффективности осветления и обесцвечивания проводят предварительную коагуляцию воды.

Коагуляцией воды называют процесс укрупнения коллоидных и диспергированных частиц, происходящий вследствие их слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием видимых невооруженным глазом агрегатов — хлопьев и отделением их от жидкой среды. Различают два типа коагуляции: коагуляцию в свободном объеме (происходит в камерах реакции или хлопьеобразования) и контактную (в толще зернистой загрузки контактных осветлителей и контактных фильтров или же в массе взвешенного осадка отстойников-осветлителей).

Коагуляция происходит с участием химических реагентов — коагулянтов (солей алюминия и железа): алюминия сульфата — A12(S04)3 • 18Н20; алюминия оксихлорида — [А12(ОН)5]С1 • 6Н20; натрия алюмината — NaA102; железа сульфата — FeS04 • 7Н20; железа хлорида — FeCl3 • 6Н20 и др. Кроме алюмо-и железосодержащих, используют комбинированные коагулянты, которые содержат соли (сульфаты или хлориды) одновременно обоих металлов.

Наиболее часто на хозяйственно-питьевых водопроводах в качестве коагулянта применяют неочищенный алюминия сульфат, который содержит 33% безводного алюминия сульфата и до 23% нерастворимых примесей. В настоящее время промышленность выпускает также и очищенный алюминия сульфат, который содержит не более 1% нерастворимых примесей.

При добавлении к воде алюминия сульфат (сернокислый глинозем) вступает в реакцию с кальция и магния гидрокарбонатами, которые всегда содержатся в природной воде и обусловливают ее устранимую жесткость и щелочность:

A12(S04)3 + ЗСа(НС03)2 = 2А1(ОН)3 + 3CaS04 + 6С02, A12(S04)3 + 3Mg(HC03)2 = 2А1(ОН)3 + 3MgS04 + 6С02.

Основным для процесса коагуляции является образование алюминия гид-роксида. А1(ОН)3 образует в воде коллоидный раствор, который придает ей опалесценцию и быстро коагулирует, образуя хлопья во всей толще воды. Они имеют заряд, противоположный заряду коллоидных частиц гуминовых веществ, которые содержатся в природной воде. Благодаря этому коллоидные частицы коагулянта нейтрализуют заряд коллоидных гуминовых частиц воды. Они устраняют взаимное отталкивание, нарушают кинетическое равновесие коллоидного раствора. Частички становятся неспособными к диффузии, объединяются (агломерируются) и выпадают в осадок. Хлопья же самого коагулянта адсорбируют коллоидные и мелкие взвешенные частицы и выпадают на дно, механически захватывая с собой крупную взвесь.

Вследствие процесса коагуляции не только повышается скорость и эффективность осаждения взвеси, но и значительно уменьшается природная цветность воды, обусловленная наличием в ней гуминовых соединений. Обесцвечивание, которого невозможно добиться другими способами очистки, происходит вследствие адсорбции гуминовых веществ на поверхности хлопьев коагулянта и дальнейшего выпадения в осадок. Уменьшение количества взвеси способствует также значительному уменьшению количества бактерий и вирусов, содержащихся в воде.

Коагуляция происходит эффективно при условии, если концентрация гидрокарбонат-ионов в воде будет хотя бы эквивалентна количеству алюминия сульфата, который добавляется. В противном случае гидролиз не происходит, алюминия гидрооксид не образует коллоидного раствора и не коагулирует.

Каждый градус щелочности воды соответствует содержанию в ней 10 мг/л СаО и делает возможной реакцию с 20 мг/л безводного алюминия сульфата или приблизительно с 40 мг/л товарного коагулянта — A12(S04)3 • 18Н20. Для осуществления реакции необходим некоторый избыток щелочности (2°). Природная щелочность воды большинства рек достаточна для обеспечения коагуляции даже высокими дозами алюминия сульфата. Однако иногда реки болотного, озерного или ледникового происхождения не имеют необходимого резерва природной щелочности. Кроме того, щелочность воды в реках может резко снижаться весной вследствие попадания большого количества талых вод. В таких случаях воду приходится искусственно подщелачивать, для чего одновременно с коагулянтом добавляют гашеную известь — Са(ОН)2 из расчета, чтобы 1° жесткости соответствовал 10 мг/л СаО. Реакция происходит следующим образом:

A12(S04)3 + ЗСа(ОН)2 = 2А1(ОН)3 + 3 CaS04.

Максимальную дозу коагулянта, которую можно добавить к природной воде без искусственного подщелачивания, рассчитывают по формуле:

где Dmax — максимальная доза коагулянта (мг/л), А — щелочность воды (мг-экв/л), 0,5 — желательный избыток щелочности, обеспечивающий полноту реакции коагуляции (мг-экв/л), 0,0052 — коэффициент эквивалентности.

На процесс коагуляции влияет не только щелочность воды, но и активная реакция (оптимальное значение pH 5,5—6,5), температура, наличие гуминовых веществ, количество грубой взвеси, частицы которой служат своеобразными "ядрами коагуляции", интенсивность перемешивания и пр.

По этой причине теоретический расчет для определения оптимальной дозы коагулянта является недостаточным. На водопроводах экспериментально определяют условия, при которых коагуляция будет происходить наилучшим образом. Обычно оптимальная доза алюминия сульфата для речной воды колеблется в пределах 30—200 мг/л. Эта доза изменяется в зависимости от сезонных колебаний мутности воды в реке или эпизодически под влиянием ливневых стоков.

Ориентировочно оптимальную дозу коагулянта можно определить по формуле:

Дк=4л/К,

где DK — максимальная доза коагулянта (мг/л), К — цветность воды (градусы). Для ускорения коагуляции и интенсификации работы очистных сооружений применяют флокулянти — высокомолекулярные синтетические соединения. Различают флокулянты анионного (полиакриламид, К-4, К-6, активированная кремневая кислота) и катионного (ВА-2) типа. Перед применением флокулянтов анионного типа следует обработать воду коагулянтом, чего не требуется при использовании катионных флокулянтов. Флокулянты ускоряют процесс коагуляции, нисходящее движение воды в осветлителях со взвешенным осадком, уменьшают длительность пребывания воды в отстойниках за счет повышения скорости осаждения хлопьев, ускоряют фильтрацию и увеличивают продолжительность фильтроцикла1. К использованию в практике водоснабжения допускаются только флокулянты, которые прошли гигиеническую апробацию, имеют научно обоснованные ПДК и включены в список веществ, разрешенных для использования при водоподготовке. С осторожностью следует использовать высокомолекулярные флокулянты группы полиакрилами-дов, при производстве которых происходит полимеризация мономера акрила-мида. Его остатки, не вступающие в реакцию в ходе синтеза, обычно невелики (0,1—0,05%). Однако акриламид относится к генотоксическим канцерогенам (группа 2Б по классификации МАИР) и по рекомендациям ВОЗ его ПДК в воде должна составлять 0,0005 мг/л.

Процесс коагуляции на водопроводах состоит из следующих операций: растворение коагулянта, дозирование, смешение с коагулируемой водой и создание оптимальных условий для образования хлопьев. Коагуляция только подготавливает воду для дальнейшей обработки — осветления и обесцвечивания, и в этом смысле не являются самостоятельным процессом водоподготовки. В ряде случаев в схеме обработки воды коагуляция может отсутствовать.

Смесители. Эффективность процессов осветления и обесцвечивания воды в значительной степени зависит от условий смешения обрабатываемой водь: с применяемыми реагентами. Для смешения реагентов с обрабатываемой водой применяют смесительные устройства (сопла Вентури, диафрагмы) или специальные сооружения — смесители. Они должны удовлетворять требованию быстрого и полного смешения реагента со всей массой воды. Кроме того, смесители выполняют функции камер гашения напора, созданного насосами насосной станции I подъема.

Различают два типа смесителей: гидравлические и механические. К гидравлическим относятся: смеситель коридорного типа (с вертикальным или горизонтальным движением воды); дырчатый смеситель; перегородчатый с разделением потока и вертикальный (вихревой). Выбор типа смесителя обосновывается технологической схемой, компоновкой водопроводной станции с учетом ее производительности, а также конструктивными соображениями.

Камеры реакции устраивают с целью создания благоприятных условий для завершения второй стадии процесса коагуляции — хлопьеобразования.

По принципу своего действия камеры хлопьеобразования делятся на гидравлические и механические (флоккуляторы). Из камер гидравлического типа на практике отдают предпочтение водоворотным, вихревым и перегородчатым камерам. Как правило, камеры всех типов, за исключением перегородчатых, встраивают в отстойники (рис. 13).

Для получения достаточно крупных хлопьев необходимо, чтобы вода находилась в камере хлопьеобразования от 10 до 40 мин (иногда и дольше) при условии постоянного плавного перемешивания. Скорость воды должна быть в пределах 0,005—0,1 м/с. При повышении скорости воды (больше 0,1 м/с) хлопья в камере реакции разбиваются, а при ее снижении (менее 0,05 м/с) начинают оседать, что приводит к ухудшению процесса коагуляции.

Отстойники. Осаждение взвешенных веществ достигается в отстойниках благодаря замедлению скорости движения воды и действию силы тяжести. Поступая из труб в резервуар, вода продолжает двигаться, но в участке перехода из узкого русла в широкое ее движение замедляется настолько (от 1 м до нескольких миллиметров за 1 с), что взвешенные вещества оседают в условиях, близких к тем, которые создаются при ее полной неподвижности.

В зависимости от направления движения воды отстойники делятся на горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальный отстойник — резервуар прямоугольной формы глубиной в несколько метров (3—4 м). В нем вода движется с очень низкой скоростью (2—4 мм/с) к отверстию, расположенному в противоположном конце. Для улучшения распределения воды по всему объему отстойника после входного отверстия по всей ширине устанавливаются водосливные или дырчатые перегородки. Дно горизонтального отстойника имеет наклон в сторону входной части, где находится приямок для сбора осадка. Обычно отстойник разбивают на ряд параллельных коридоров шириной до 6 м. Горизонтальные отстойники периодически очищают от осадка струей воды из брандспойта (на время очистки отстойник выводят из режима работы) или при помощи скребков (рис. 14).

В горизонтальном отстойнике на взвешенную частицу действуют две взаимно перпендикулярные силы: тяжести (и), перемещающая частицу вертикально вниз, и движения (v), которая тянет частицу в горизонтальном направлении. Вследствие этого частица движется по равнодействующей и в зависимости от соотношения сил опускается на дно или выносится течением из отстойника.

В вертикальном отстойнике, который имеет цилиндрическую или четы-

рехугольную форму с конусообразным дном, вода поступает в центральную трубу, опускается по ней в нижнюю часть отстойника, поворачивается на 180°, медленно движется вверх, переливается через борт кольцевого желоба и далее попадает через трубу на фильтры (рис. 15). Сила тяжести (и) и сила движения воды (v) действуют на взвешенную частицу в противоположном направлении. Поэтому для эффективного осаждения скорость движения воды в вертикальных отстойниках должна быть ниже, чем в горизонтальных. В горизонтальных отстойниках расчетная скорость составляет 2—4 мм/с, а в вертикальных — ниже 1 мм/с (0,4—0,6 мм/с). Вода находится в отстойнике в течение 4—8 ч. За это время оседают преимущественно грубодисперсные примеси. Так как на своей поверхности они сорбируют микроорганизмы, то в отстойниках задерживается значительная часть бактерий, вирусов и яиц гельминтов.

Фильтрация является следующим (после коагуляции и отстаивания) техническим приемом освобождения воды от взвешенных веществ, не задержанных на предыдущих этапах обработки (преимущественно это тонкодисперсная суспензия минеральных соединений). Сущность фильтрации состоит в том, что воду пропускают через мелкопористый материал, чаще всего — через песок с определенным размером частиц. Фильтруясь, вода оставляет на поверхности и в глубине фильтров взвешенные вещества.

Фильтры классифицируют с учетом разных характеристик: в зависимости от гидравлических условий работы — открытые (ненапорные) и напорные; по виду фильтрующей основы — сетчатые (микрофильтры, микросита), каркасные, или намывные (диатомитовые), зернистые (песчаные, антрацитовые и т. п.); по величине фильтрующего материала — мелкозернистые (0,2—0,4 мм), сред-незернистые (0,4—0,8 мм), крупнозернистые (0,8—1,5 мм); и по скорости фильтрования — медленные (0,1—0,2 м/ч) и скорые (5—12 м/ч); по направлению фильтрующего потока — одно - и двухпоточные, и по количеству фильтрующих слоев — одно-, двух-, трех-, многослойные.

Фильтры медленного действия — это первый тип фильтров, которые начали использовать в практике водообработки. В 1829 г. Джон Симпсон построил для лондонского водопровода песчаные фильтры, которые получили название английских, или медленных. Фильтры медленного действия применяют в том случае, когда мутность воды не превышает 200 мг/л и можно ограничиться предварительным естественным отстаиванием ее без коагуляции. Это резервуары из бетона, железобетона или кирпича, заполненные послойно щебнем, галькой, гравием и песком. Размер частиц постепенно уменьшается в направлении снизу вверх (от 40 до 2 мм). Общая толщина слоя песка составляет 0,8—1 м (рис. 16). Фильтр имеет двойное дно — нижняя его часть сплошная, верхняя — перфорированная. Между ними образуется дренажное пространство, в которое и поступает профильтровавшаяся вода. На верхнюю часть дна кладут слой щебня или гравия (толщиной 0,4—0,45 м), а на него — собственно фильтрующий слой кварцевого песка (0,8—0,85 м), на который подают очищаемую воду.

Процесс фильтрации на медленном фильтре приближается к естественному: вода проходит через фильтр медленно, со скоростью 0,1—0,2 м/ч. При таких условиях достигается практически полное осветление воды и очистка ее от микроорганизмов (на 95—99%).

По мере фильтрации воды на поверхности фильтрующего слоя песка образуется биологическая пленка (толщиной 0,5—1 мм) из задержанных разнообразных органических остатков, минеральных веществ, коллоидных частиц и большого количества микроорганизмов. Формируется она в течение нескольких суток, и этот период называется периодом "созревания" фильтра. Пленка сама является фильтром и задерживает мелкую взвесь, которая прошла бы сквозь поры песка. То есть на медленном фильтре происходит пленочная фильтрация воды. Биологическая пленка способствует также минерализации органических веществ и уничтожению микрофлоры, снижению окисляемости (на 20—45%) и цветности (на 20%).

Со временем поры биологической пленки забиваются взвешенными частицами, что приводит к повышению сопротивления и тормозит фильтрацию. Поэтому медленные фильтры нужно периодически очищать путем удаления 15—20 мм верхнего слоя и подсыпания чистого песка 1 раз в 10—30 сут. В это время фильтр выводят из работы.

Основными факторами, способствующими очистке воды на медленных фильтрах, являются: механическая задержка взвешенных частиц, адсорбция, окисление (химическое действие растворенного в воде кислорода), ферментативная деятельность микроорганизмов, биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью простейших.

Несмотря на высокую эффективность очистки, простоту оборудования и эксплуатации, медленные фильтры сегодня используют только на малых водопроводах, в сельских населенных пунктах по причине их низкой производительности.