Основные способы улучшения качества воды

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

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

Типовая схема процесса очистки воды

Типовая схема процесса очистки воды

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

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

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

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

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

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

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

Основными способами являются:

- осветление;

- обесцвечивание;

- обеззараживание.5

Под осветлением и обесцвечиванием понимается устранение из воды

взвешенных и окрашенных коллоидов (в основном, гумусовых веществ). В

связи с этим применяются способы: физические - отстаивание, фильтрация;

химические - коагуляция.

Осветление и обесцвечивание воды открытого водоисточника в природе

достигается путем длительного отстаивания. Но естественное отстаивание

протекает медленно и эффективность обесцвечивания при этом невелика.

Поэтому на водопроводных станциях часто применяют химическую

обработку коагулянтами, ускоряющую осаждение взвешенных частиц. Для

этого к воде добавляют коагулянты – вещества, образующие гидроокиси с

быстро оседающими хлопьями. В качестве коагулянтов применяют сульфат

алюминия – Αl2(SO4)3; хлорид железа (3) - FeCl3; сульфат железа - FeSO4 и др.

Процесс осветления и обесцвечивания, как правило, завершают

фильтрованием воды через слой зернистого материала (песок, измельченный

антрацит, гравий). Применяют два вида фильтрования - медленное и скорое.

Путем обеззараживания устраняют содержащиеся в воде водоисточника

инфекционные агенты – бактерии, вирусы и др.

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 γ - лучами и др.

В настоящее время основным методом, используемым для

обеззараживания воды на водопроводных станциях в силу технико-

экономических причин, является метод хлорирования, однако всё большее

внедрение получает метод озонирования и его применение, в том числе, в

комбинации с хлорированием имеет преимущества в плане улучшения

качества получаемой воды.

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 (RNHCl2 и RNH2Cl),

гипохлориты кальция и натрия [Ca(OCl)2] и NaOCl, хлорная известь

(3CaOCl CaO 5H2O), газообразный хлор, двуокись хлора ClO2.Бактерицидный эффект хлорирования объясняется, в основном,

воздействием на протоплазму бактерий недиссоциированной молекулы

хлорноватистой кислоты, которая образуется при введении хлора в воду:

Cl2 + H2O → HOCl + HCl

Бактерицидным свойством обладает также гипохлорит-ион и хлор-ион,

которые образуются при диссоциации хлорноватистой кислоты:

HOCl → OClˉ + Hˉ

OCl ˉ → Clˉ + O

Степень диссоциации HOCl возрастает при повышении активной реакции

воды, таким образом, с повышением pH бактерицидный эффект

хлорирования снижается.

Действующим началом при хлорировании хлорамином и гипохлоритами

является гипохлорит-ион, а двуокисью хлора HClO2 – хлористая кислота,

которая имеет наиболее высокий окислительно-восстановительный

потенциал, в силу чего при использовании двуокиси хлора достигается

наиболее полное 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 1л воды расходуется на

окисление органических, легкоокисляющихся неорганических веществ и

обеззараживание бактерий в течении 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.

СанПиН 2.1.4.1074-01 указывает на необходимость обязательного

присутствия в воде, подаваемой в водопроводную сеть, остаточного

активного хлора в концентрациях 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 аммонозацией)

остаточного хлора называется хлорпотребностью воды. В практике

водоподготовки используется несколько способов хлорирования воды:

1. Хлорирование нормальными дозами (до хлорпотребности).

2. Двойное хлорирование.

3. Хлорирование с преаммонизацией и др.

4. 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 хлорировании

– до и после осветления и обесцвечивания, также для снижения дозы хлора

при заключительном хлорировании, весьма перспективным является

комбинирование хлорирования с озонированием.

Хлорирование нормальными дозами. Доза хлора устанавливается

экспериментально по сумме величин хлорпоглощаемости и санитарной

нормы остаточного хлора (хлорпотребности воды) путем проведения

пробного хлорирования.

Хлорирование нормальными дозами является наиболее часто

применяемым методом на водопроводных станциях. Минимальное время

контакта воды с хлором при хлорировании нормальными дозами составляет

летом не менее 30 минут, зимой – 1 часа.

Двойное хлорирование предусматривает подачу хлора на водопроводные

станции дважды: первый раз перед отстойниками, а второй раз, как обычно,

после фильтров. Это улучшает коагуляцию и обесцвечивание воды,

подавляет рост микрофлоры в очистных сооружениях, увеличивает

надежность обеззараживания.

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

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 хлораминого хлора его остаточное

количество в воде должно быть выше, чем свободного и составлять не менее

0,8-1,2 мг/л.

Гиперхлорирование воды - хлорирование избыточными дозами, заведомо

превышающими хлорпотребность воды. Гиперхлорирование является

способом, используемым в неблагоприятной эпидемиологической

обстановке, при отсутствии или неэффективной работе водоочистных

сооружений, в полевых условиях, при отсутствии возможности проведения

пробного хлорирования для определения хлорпотребности. Введение

избыточных доз хлора:

- создает возможность надежного обеззараживания мутных, цветных,

сильнозагрязненных и зараженных вод;

- сокращает время обеззараживания до 10-15 минут.

Доза хлора при этом определяется ориентировочно в зависимости от вида

водоисточника, качества воды (мутности, цветности), степени загрязнения и

опасности в эпидемическом отношении.

При гиперхлорировании воды обычно используют следующие дозы хлора:

для воды хорошо оборудованных срубовых колодцев, при хороших

органолептических свойствах воды – 10 мг/л активного хлора, при

пониженной прозрачности колодезной воды, а также для воды рек или озер

(прозрачной и бесцветной) – 15-20 мг/л, при сильном загрязнении воды

любого водоисточника, а также при использовании воды из источников

непитьевого назначения (вода искусственных прудов и запруд) – 25-30 мг/л.

В случае опасности применения бактериологического оружия используют

дозы хлора – до 100 мг/л.

По истечении необходимого времени контакта избыточное количество

остаточного хлора удаляют путем дехлорирования воды тиосульфатом

натрия или фильтрацией её через активированный уголь (с помощью

табельных или импровизированных фильтров).