Глава V. Улучшение качества воды

В СИСТЕМАХ ИВПВ

1. Основы улучшения

В качестве исходной воды для ИВПВ, как правило, берется поверхностная вода из рек, озер, водохранилищ. Эту воду нельзя использовать для хозяйственно-питьевого водоснабжения, так как по ряду показателей (мутности, санитарным бактериальным показателям) она не отвечает требованиям ГОСТ 2874—73, поэтому ее необходимо улуч­шать. В отличие от обычной очистки воды для хозяйствен­но-питьевого водоснабжения улучшение качества воды для I типа систем ИВПВ осуществляют в инфильтрацион­ных бассейнах, а для III типа — при поверхностной инфильтрации. Затем частичное улучшение качества воды для всех типов ИВПВ происходит в водоносном горизонте. Такой способ улучшения качества поверхностных вод является особенностью ИВПВ при сравнении с обычной очисткой для хозяйственно-питьевого водоснабжения. В ря­де случаев в системах ИВПВ I типа и главным образом для II типа применяют дополнительно очистные сооруже­ния предварительной водоподготовки перед поступлением воды в инфильтрационные бассейны и в инфильтрационные скважины, а также при улучшении качества воды после водозаборов подземных вод для всех типов систем ИВПВ. Для некоторых таких сооружений отстойники устраивают открытыми, часто в виде котлованов в грунте и без пере­городок.

В настоящее время достаточно разработаны теоретиче­ские основы методики улучшения качества воды и имеется значительный практический опыт водоподготовки при искусственном восполнении. Однако эта задача еще не всегда может быть решена однозначно, что зависит как от качества исходной воды, типа ИВПВ, так и от недо­статочно четких теоретических разработок.

Улучшение качества воды связано со следующими про­цессами:

физическим и в частности, механическим осаждением взвешенных частиц и организмов в воде и задерживанием их в решетках, сетках, пленке и в рыхлых грунтах. Эффект механического действия может улучшаться путем дополни­тельной обработки воды (введением коагулянтов и флокулянтов);

химическим и физико-химическим;

биологическим;

Кроме того, физические, химические и физико-хими­ческие процессы сопровождаются физической и химической сорбцией, адгезией, ионным обменом, коагуляцией и флокуляцией.

Все эти процессы часто взаимодействуют и зависят от физических, химических, физико-химических и биоло­гических условий (температура, свет, рН, насыщенность кислородом, наличие ПАВ, наличие одноклеточных и мно­гоклеточных низших и высших организмов). Так, при рН меньше 5 и больше 8 бактериологическая активность сни­жается.

На процесс улучшения качества воды влияют различ­ные химические соединения, а также их концентрация в воде.

Например, размножение бактерий может происхо­дить сначала без наличия фосфора в воде, но для благо­приятного дальнейшего их развития требуется фосфор, хотя и в незначительных концентрациях. Для хорошего развития водорослей необходима концентрация фосфора порядка 0,1—1 мг/л.

Для развития в воде растительных организмов, усваи­вающих углекислоту, необходим свет.

Наиболее полно изучены теория и методика улучшения качества воды в очистных сооружениях для водоснабжения

и канализации, особенно в отстойниках и скорых фильтрах. Однако в системе искусственного восполнения процессы, происходящие в отдельных его элементах —при поверх­ностной инфильтрации, в бассейнах и прудах, зоне аэрации и водоносном горизонте по своим условиям значительно отличаются от процессов, происходящих в очистных сооружениях для водоснабжения и канализации. Прежде всего в водоносном горизонте и при поверхностной ин­фильтрации вертикальная и горизонтальная скорости дви­жения воды (за исключением некоторых случаев) неболь­шие (до одного — нескольких метров в сутки). Небольшие горизонтальные скорости движения воды в инфильтра­ционных бассейнах способствуют осаждению взвешенных частиц, которые под влиянием различных процессов коагу­лируются, увлекая в осадок бактерии и вирусы. Механи­ческое задерживание взвешенных частиц происходит при поверхностной инфильтрации, а при наличии пленки и мелких осадков практически задерживаются все взве­шенные частицы и даже большая часть микроорганизмов. По данным Риннеля (1927 г.), диаметр пор пленки в инфильтрационных бассейнах меньше микрона, т. е. на этой пленке может механически задерживаться ряд бактерий.

В воде бассейнов и прудов (до инфильтрации) разви­вается планктон и, в частности, сине-зеленые, диатомовые и другие водоросли, которые в естественных условиях спо­собствуют очищению воды. За последние 15—20 лет про­водились исследования влияния камыша-куги, рогоза ши­роколистного и других водных растений на улучшение качества воды. Такие растения поглощают ряд вредных веществ (фенол и др.). Растворенный в воде бассейна кислород окисляет органическое вещество и способствует развитию растительности. На солнечном свету погибают многие бактерии, в особенности патогенные.

Таким образом, в инфильтрационных бассейнах еще до инфильтрации качество воды может весьма заметно улучшаться. Однако при бурном развитии организмов, например водорослей, качество воды возможно ухудшится. По данным исследований очистки воды для водоснабжения при отстаивании и фильтровании, в особенности с коагу­лированием, и при снижении мутности воды до 0,5 мг/л, вирусы удаляются до 97—98 %, а бактерии — до 2—10 кле­ток/мл (по санитарному анализу).

Теория и практические положения очистки воды при инфильтрации хорошо освещены в работах советских ученых (Д. Н. Минц, С. А. Шуберт, В. А. Клячко, В. П. Криштул, А. М. Перлина, В. М. Берданов, И. Э. Апельцин и др.). В зоне аэрации в водоносном горизонте улучшение качества воды может происходить в результате прилипа­ния (адгезия) частиц и микроорганизмов к зернам по­роды и к ранее прилипшим частицам.

Не входя в детали анализа процесса прилипания, нам представляются более правильными взгляды Д. Н. Минца, Д С. А. Шуберта, В.П. Криштула, А. М, Перлиной и других, которые рассматривают процессы задерживания различных частиц при объемном скором фильтровании как суммарное явление накопления осадка и его частичное разрушение. Теоретически водоносный горизонт и зона аэрации рабо­тают по такому же принципу улучшения качества воды. При этом, чем мельче зерна грунта, тем больше их удельная площадь поверхности и, следовательно, тем больше задерживающая способность. В то же время отличие процессов задерживания частиц в водоносном горизонте по сравнению со скорыми фильтрами заключается в том, что вода поступает в водоносный горизонт после инфильтрационных бассейнов со скоростью движения до 1—3 м/сут, т. е. много медленнее, чем в скорых фильтрах и при этом или без мути, или с ничтожным количеством мути (не более 1—3 мг/л). Кроме того, водоносный гори­зонт по вместимости значительно больше скорых фильтров. Следует заметить, что поглощающая вместимость водоносных горизонтов не бесконечна, поэтому необходимо рационально использовать возможность их очищающей cпособности. Одним из важных факторов улучшения качества воды при микробном (и вирусном) загрязнении является продолжительность времени выживаемости, дальность распространения бактерий и других организмов в зоне аэрации и в водоносном горизонте, а также сохранение вирулентности патогенных микроорганизмов.

В последние годы теоретическими работами отечественных (Д. Г. Звягинцев, 1973, и др.) и зарубежных ученых выявлены очень важные закономерности взаимодействия между микроорганизмами и поверхностями твердых тел, находящихся в водной среде. На поверхности твердых тел в водной среде физические и химические условия отличаются от условий самой среды, например по концентрации растворенных веществ, рН (может быть разница на 0,5—2 единицы), активности ионов водорода и др. На поверхностях в водоносных песках микробы могут оказаться в более благоприятных условиях для развития, чем непосредственно в подземной воде. Поэтому биологические исследования только подземной воды без учета водоносных песков могут дать неправильное представление. Следует учесть, что неорганические и органические частицы меньше клетки, близкие по размерам коллоидным частицам, прилипают к клетке. Это существенно влияет на жизнедеятельность клетки.

По данным Н. Е. Орадовской и Е. И. Моложавой [17], в песках и ракушечниках в воде выживаемость санитарно-показательных бактерий (кишечная палочка, энтерококка, споровые формы бактерий), патогенных энтеробактерий (возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии), фага кишечной палочки и вируса полиомиелита изменяется от 50 до 400 сут в зависимости от вида микроба, темпе­ратуры (от 4 до 20°С), плотности заражения (10²— 10⁸м*т/л), а также состава воды. Наибольшая выжи­ваемость отмечена у сальмонелл паратифа В — 400 сут при плотности заражения 10⁴м*т/л, выживаемость этих сальмонелл в известняках при плотности заражения 10²и 10⁴ м*т/л была всего 40—85сут. Энтеробактерий в песках с водой сохраняют большую жизнеспособность, чем непо­средственно в воде. Это обстоятельство, т. е. более благо­приятные условия выживаемости энтеробактерий на по­верхности твердых тел, описано в ряде работ и, в част­ности, у Д. Г. Звягинцева (в 1973 г.). При наличии детергентов, фенолов, нефтепродуктов и фосфорорганических веществ на уровне ПДК выживаемость бактерий не изменялась, а при повышенных концентрациях сульфанола НП-1 (5 мг/л) удлинялась. Вирулентность у сальмо­нелл брюшного типа и паратифа В сохранялась в течение всего периода выживания, а у возбудителя дизентерии — 2 мес с момента попадания в водоносные породы.

По другим данным отмечается выживаемость бактерий более года, что, видимо, определяется другими условиями. По Данным Ю. Г. Талаевой и Г. А. Багдасаряна, в воде (без породы) выживаемость бактерий составляет: возбу­дители дизентерии — 1—2 недели, сальмонеллы до 1—2 мес, вирусы — до 4—5 мес, что также зависит, видимо, от сре­ды, в которой находятся микроорганизмы. По данным Е. И. Моложавой, в летний период при температуре воды 24—25°С в зоне аэрации на глубине 50—100 см под пленкой инфильтрационного бассейна могут создаваться благо­приятные условия для размножения сапрофитов и бакте­рий группы кишечной палочки в результате увеличения концентрации органики. Но в дальнейшем при фильтрации в водоносных рыхлых породах, и в особенности с мелко­зернистыми песками, происходит полная очистка от бакте­рий на пути длиной 40 м. По другим данным (натурным) в зоне аэрации развитие различных микроорганизмов идет обычно незначительно в зависимости от питательных веществ, температуры, содержаний кислорода и других условий, но нередко даже и подавляется.

Для прогнозов проникания микроорганизмов в под­земные воды А. Е. Орадовская и Е. И. Моложавая [17] рекомендуют принимать их выживаемость при исходных малозагрязненных поверхностных водах 200 сут и при сильно загрязненных 400 сут.

По данным работы «Основы санитарной вирусологии» (1977) выживаемость в подземной пресной воде вируса полиомиелита при температуре 4—8°С составляет 84— 112 сут, вируса Коксаки А5 при температуре 4—20°С — 280 сут, а в автоклавированной водопроводной воде до 780 сут. Интересно отметить, что, например, вирус Коксаки при температуре 17°С сохранялся в стерильной воде 80 сут, в связи с живыми бактериями —140 сут и в смеси с убитыми бактериями — 260 сут. Это еще раз подтверждает наше замечание о необходимости учета взаимосвязи организмов с окружающей средой. Миграция микроорганизмов в подземных водах рассчитывается [9] на основе уравнения кинетики адгезии (сорбции) *

dN/dt = a(N_Q — N)C, (1)

где N — количество сорбированных микроорганизмов; t— время; а — параметр кинетики адгезии (сорбции); No— полная емкость адгезии породы; С — концентрация микроорганизмов в воде.

Используя уравнение (1), можно приближенно практи­чески решать вопросы микробиологического самоочище­ния подземных вод в самых простых случаях. Параметр α в уравнении (1) необходимо определять для совершенно конкретных условий. Следует иметь в виду, что по послед­ним исследованиям во многих чистых (по бактериологи­ческим санитарным показателям) подземных водах, вклю­чая и артезианские, обнаружены непатогенные бактерии в количестве до 10³—10⁴ кл/мл и более.

Задерживать различные вредные вещества в водонос­ном горизонте, используя его сорбционную возможность, можно при небольших концентрациях некоторых из этих веществ и при кратковременном загрязнении. Это опреде­ляется относительно ограниченной сорбционной емкостью водоносного горизонта. В таких условиях водоносный гори­зонт играет важную барьерную роль.