3 курс / Гигиена / Гигиена питьевого водоснабжения

Физическая фаза. Гидрат алюминий образует массивные хлопья, нейтрализует заряд коллоидных частиц воды (гуминовых соединений), в результате чего нарушается кинетическое равновесие раствора. Частички укрупняются, образуются агломераты, которые, медленно оседая, нагружают на себя взвешенные частицы микробов, увлекают часть гуминовых веществ. Заканчивается коагуляция механической фазой. В результате улучшается прозрачность воды, снижается мутность и цветность, вода освобождается от большого количества микрофлоры и яиц гельминтов.

Для оптимизации процесса коагуляции проводят:

-Подщелачивание воды гидратом окиси кальция, что особенно важно для мягких вод, т.к. это способствует более полному гидролизу коагулята.

-Предварительное хлорирование воды. Хлор разрушает, окисляет ряд труднокоагулируемых веществ, например, гуминовые вещества.

Часто для ускорения процесса коагуляции используются высокомолекулярные флокулянты, в частности, полиакриламид.

Вместе с коагулянтами вода поступает в отстойники (объемная коагуляция) – большие емкости, рассчитанные на 2-4-х часовое пребывание в них медленно продвигающейся воды. Если процесс осветления воды совершается одноступенчато, не в свободном объеме, а на зернах загрузки фильтра (контактный осветлитель), то коагуляция будет называться

контактнй.

Вотстойнике движение воды замедлено при увеличении сечения потока. Осаждением удается удалить из воды грубодисперсные примеси (частицы размером до 0,01 мм). 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 также через дырчатую перегородку и затем через лоток. Обычно отстойник разбивают на ряд параллельно работающих коридоров шириной не более 6 м.

Горизонтальные отстойники применяют на станциях водоподготовки производительностью 30 000 м3/сут и более.

Вертикальный отстойник – резервуар конической или пирамидальной формы. В центре резервуара помещается металлическая труба,

вверхнюю часть которой поступает осветляемая вода. При включении в схему обработки воды процесса коагуляции центральная труба служит камерой хлопьеобразования. 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

43

(1-2 раза в сутки) удаляют без выключения отстойника из работы, открывая задвижку на выпускной трубе. Скорость восходящего потока воды в вертикальном отстойнике обычно составляет 0,4-0,6 мм/с. Преимуществом вертикальных отстойников является малая площадь; их рекомендуется применять на водопроводах небольшой производительности (до 3000 м3/сут).

Осветление коагулированной воды происходит значительно интенсивнее, если осветляемая вода проходит через слой ранее образованного осадка, находящегося во взвешенном состоянии. Контакт воды с осадком способствует получению более крупных и плотных хлопьев, чем в отстойниках, резко улучшает гидравлическую характеристику взвеси. Это свойство взвешенного осадка было использовано отечественными инженерами для разработки принципиально новых типов водоочистных сооружений – осветлителей с взвешенным осадком. В таких осветлителях процесс осветления происходит значительно быстрее, снижается расход коагулянта. Осветлители в настоящее время успешно вытесняют отстойники, особенно при осветлении мутных вод с концентрацией взвешенных веществ от 500 до 5000 мг/л.

4.3.2. Фильтрование воды

Важной стадией осветления воды является ее фильтрование. Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой железобетонный резервуар, заполненный фильтрующим материалом в два слоя (поддерживающий и фильтрующий). Фильтрующий слой выполняют из отсортированного материала достаточной механической прочности (кварцевый песок, антрацитовая крошка, керамзит, шунгизит, дробленый мрамор).

Поддерживающий слой служит для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия распределительной системы. Он состоит из слоев гравия или щебня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм. Распределительная система фильтра состоит из труб с отверстиями разной формы и размера. Ее назначение – сбор и отвод профильтрованной воды без выноса зерен фильтрующего материала, а также равномерное распределение воды по площади фильтра при его промывке.

Существует большое разнообразие фильтров, различающихся:

видом фильтрующегося материала;

скоростью фильтрования;

механизмом задержания взвешенных частиц;

количеством фильтрующих слоев;

направлением фильтрующего потока.

Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на:

зернистые – песок, антрацит, керамзит;

сетчатые – сетки с ячейками различных размеров;

каркасные или намывные – диатомитовые;

с плавающей загрузкой – гранулы вспененного пенополистирола.

По скорости фильтрования различают:

44

медленные фильтры 0,3 м/ч (открытые);

скорые 2-15 м/ч (открытые и напорные);

сверхскорые 25 м/ч (напорные).

По характеру механизма задержания взвеси различают:

1. Фильтрование через фильтрующую пленку, образованную частицами взвеси, оседающими на поверхности загрузки. Этот механизм характерен для медленных фильтров. Медленный фильтр представляет собой резервуар, изготовленный из бетона или кирпича, загруженный послойно щебнем, галькой, гравием, песком с постепенно уменьшающимся вверх размером частиц. Общий слой песка равен 1-0,8 м. В дне фильтра устраивается дренаж из железобетонных плит или дренажных трубок с отверстиями. Вода пропускается через фильтр медленно со скоростью 0,1-0,3 м/час. При такой небольшой скорости фильтрации достигается почти полное осветление воды и значительное освобождение ее от микроорганизмов (99%). Фильтрация воды на медленных фильтрах происходит медленно, спокойно, фильтры загрязняются редко, поэтому имеют большой период работы между чистками. Ход фильтрации близок к естественной фильтрации воды в природе и представляет собой сложный биологический процесс. В процессе фильтрования воды на поверхности и в верхних слоях фильтра появляется так называемая биологическая пленка, образующаяся путем задержки из воды различных органических остатков, минеральных веществ, коллоидных частиц и большего числа микроорганизмов. На образование пленки требуется несколько дней, этот период носит название «созревания» фильтра. Образовавшаяся в результате созревания фильтра биологическая пленка способствует минерализации органических веществ и уничтожению микрофлоры.

В целом основными факторами, способствующими очистке воды в медленном фильтре, является: механическая задержка взвешенных веществ, адсорбция, окисление (химическое действие кислорода, растворенного в воде), ферментативная деятельность микроорганизмов, биологические процессы, связанные с жизнедеятельностью простейших, живущих в фильтре. Несмотря на высокую эффективность очистки, медленные фильтры в настоящее время применяются на малых водопроводах, в сельских населенных пунктах в силу их небольшой производительности.

Для медленных фильтров не требуется коагуляция воды, но из-за небольшой скорости фильтрования фильтры имеют большие размеры и в настоящее время на промышленных предприятиях используются мало.

2. Фильтрование без образования фильтрующей пленки. В этом случае задержание частиц, загрязняющих воду, происходит в толще слоя фильтрующего материала. Там они прилипают к зернам материала и удерживаются на них.

Этот механизм характерен для скорых и сверхскорых фильтров.

Фильтры, работающие по принципу скорого фильтрования, широко применяются в практике очистки воды. Скорость фильтрования для этих фильтров принимается от 6 до 12 м/ч в зависимости от типа фильтров и крупности загрузки.

45

Механические примеси 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.

Врезультате уменьшения размера пор возрастает сопротивление загрузки при фильтровании, происходит потеря напора. Это требует периодического промывания фильтра обратным током воды снизу вверх.

Скорые фильтры используют для осветления мутных и цветных вод после коагулирования и отстаивания, при умягчении, обезжелезивании и в некоторых других случаях.

Вода в процессе фильтрования может проходить через скорые фильтры:

самотеком – благодаря превышению уровня воды в фильтре над уровнем воды в резервуаре чистой воды (в который вода отводится);

под напором (обычно создаваемым насосами) – фильтры в этом случае устраиваются в виде закрытых напорных резервуаров.

Всоответствии с этими принципами работы различают фильтры самотечные и напорные.

С целью ускорения фильтрации при конструировании новых фильтров повышают их грязеемкость, под которой понимают массу загрязнений в килограммах, задержанных 1 м3 фильтрующей загрузки. К числу фильтров с повышенной грязеемкостью относятся фильтры с двухслойной загрузкой, двухпоточные фильтры системы АКХ и двухпоточные фильтры ДДФ.

Вфильтрах с двухслойной загрузкой над слоем песка 0,4-0,5 м

насыпают слой дробленого антрацита или керамзита В таком фильтре верхний слой, состоящий из более крупных зерен, задерживает основную массу загрязнений, а песчаный – их остаток, прошедший через верхний слой Общая грязеемкость двухслойного фильтра в 2-2,5 раза больше грязеемкости обычного скорого фильтра Плотность антрацита (керамзита) меньше плотности песка, поэтому после промывки фильтра послойное расположение загрузки восстанавливается самостоятельно.

Принцип работы двухпоточных фильтров АКХ (Академии коммунального хозяйства) заключается в том, что основная масса воды (70%) фильтруется снизу вверх, а меньшая часть (30%), как и в обычных фильтрах, - сверху вниз. Благодаря этому основная масса загрязнений задерживается в нижней наиболее крупнозернистой части фильтра, имеющей большую грязеемкость. В толще фильтрующей загрузки устанавливается трубчатый дренаж, через который отводится профильтрованная вода

Фильтры ДДФ конструктивно отличаются от фильтров АКХ двухслойной загрузкой (антрацит и песок, керамзит и песок) в наддренажном слое. В фильтрах АКХ и ДДФ задерживающая способность фильтрующей загрузки использется по всей ее высоте, что позволяет повысить скорость фильтрации и увеличить производительность фильтра.

Впрактике водоподготовки с целью интенсификации работы очистных сооружений используется коагуляция в зернистой загрузке скорых фильтров

46

(контактная коагуляция). Контактная коагуляция особенно эффективна при смешивании коагулянта с обрабатываемой водой непосредственно перед ее введением в зернистую загрузку. При этом расход коагулянта снижается на 20%. Применение контактной коагуляции целесообразно при низких концентрациях взвеси в воде и отсутствии щелочного резерва. Сооружения, в которых используется метод контактной коагуляции, называются

контактными осветлителями.

Для контактных осветлителей не нужно строить камеры хлопьеобразования и отстойники, что позволяет уменьшить объем сооружений и сократить капитальные затраты. Раствор коагулянта вводят в воду перед ее подачей на фильтрацию.

Вода фильтруется в направлении убывающей крупности зерен, снизу вверх, благодаря чему основная часть загрязнений задерживается в нижних крупнозернистых слоях. Контактные осветлители удовлетворительно работают при осветлении воды, содержащей не более 150 мг/л взвешенных веществ и при цветности до 150 градусов.

4.3.3. Обеззараживание воды

Обеззараживание питьевой воды осуществляется с целью обеспечения эпидемической безопасности питьевой и предотвращения передачи через воду возбудителей инфекционных заболеваний. Обеззараживание направлено на уничтожение патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. В целях обеззараживания применяют химические (реагентные) и физические (безреагентные) и комбинированные методы.

Химические методы основаны на использовании сильных окислителей (хлора, хлорсодержащих веществ, озона), ионов серебра и других веществ.

К физическим методам относятся: ультрафиолетовое облучение, воздействие ультразвука, гамма облучение, а также термическая обработка.

На водопроводах обычно обеззараживание воды осуществляется на последнем этапе ее очистки перед поступлением в резервуары чистой воды и разводящую водопроводную сеть. Выбор конкретного метода обеззараживания зависит от качества и количества исходной воды, методов ее предварительной очистки, условий поставки реагентов и других факторов.

ХЛОРИРОВАНИЕ – обработка питьевой воды водным раствором хлора с целью ее обеззараживания. Этот метод стал наиболее широко распространен среди всех методов обеззараживания воды. Это связано с относительной дешевизной хлора, несложностью используемого оборудования и надежностью обеззараживающего действия.

При обычных температуре и давлении хлор – газ желто-зеленого цвета с резким специфическим запахом. Раздражает слизистые оболочки, глаза, относится к сильнодействующим ядовитым веществам и при выбросе в воздух способен вызвать отравления людей.

Хлор можно использовать для обеззараживания воды на различных сооружениях – от шахтного колодца до крупного водопровода. В целях обеззараживания воды могут применяться газообразный хлор (доставляется в

47

баллонах в жидком состоянии), хлорная известь, гипохлорит кальция, хлорамины, двуокись хлора и другие хлорсодержащие вещества.

Основными условиями действия хлора являются: тщательное освобождение воды от взвешенных веществ, достаточная доза хлора, полное и быстрое перемешивание хлора со всем объемом обеззараживаемой воды и контакт хлора с водой не менее 30-60 мин времени, необходимого для проявления бактерицидного действия. Для обеспечения надежного обеззараживания необходимо ввести его такое количество, чтобы покрыть всю хлорпоглощаемость воды и получить некоторый избыток свободного активного хлора. Об успешности хлорирования воды судят по остаточному активному хлору. Установлено, что дозы хлора в воде 1-3 мг/л обычно обеспечивают достаточный бактерицидный эффект. При этом содержание остаточного свободного хлора в воде после резервуаров чистой воды должно быть в пределах 0,3-0,5 мг/л, остаточного связанного – 0,8-1,2 мг/л. Такое хлорирование называется обычным или нормальными дозами с учетом

легкоокисляющихся неорганических веществ и обеззараживание бактерий в течение 30 минут.

Хлорпотребная доза воды – общее количество хлора, необходимое для удовлетворения хлорпоглощаемости воды и обеспечения наличия необходимого количества остаточного хлора.

При этом доза хлора (Д) рассчитывается по формуле:

Д=ХП + остаточный хлор

К преимуществам метода относится малый расход хлора или хлорсодержащих препаратов и относительно небольшое влияние на органолептические свойства воды, вследствие чего вода может употребляться без последующего дехлорирования. Недостатками методами являются сложность выбора рабочей дозы хлора.

Сложность выбора дозы хлора связана с неоднородностью состава остаточного активного хлора. В нем, наряду с так называемым свободным хлором (Cl2, HClO, Cl2O), обладающим наибольшим эффектом, существует менее активный, связанный хлор, в виде монохлораминов и дихлорамминов и других соединений. Они также обладают бактерицидным действием, но хлор из них высвобождается медленнее, а потому его концентрация и экспозиция должны быть большими.

Разновидностью хлорирования на водопроводах являются двойное хлорирование и суперхлорирование (перехлорирование).

При двойном хлорировании хлор вводится в воду дважды: первый раз в смеситель перед отстойниками и второй – после фильтров, применяется, например, в случае использования для питьевого водоснабжения речной воды с высокой бактериальной загрязненностью.

Суперхлорирование – хлорирование воды избыточными дозами хлора (5- 20 мг/л) при остаточном содержании активного до 1-5 мг/л. Применяется

48

временно при резких колебаниях бактериальной загрязненности воды, в случае особой эпидемической обстановки и при невозможности обеспечить достаточный контакт воды с хлором.

Этот метод применяется главным образом в военно-полевой практике, когда ограничен выбор водоисточников и приходится использовать воду низкого качества. Сущность метода заключается в том, что в воду без предварительного определения ее хлорпотребности вводится избыточное количество активного хлора с тем, чтобы иметь полную гарантию обеззараживания воды. Доза активного хлора выбирается в зависимости от физических свойств воды (мутности, цветности), характера и степени благоустройства водоисточника и эпидемической обстановки.

Метод обладает следующими преимуществами:

надежный эффект обеззараживания даже мутной и окрашенной воды, а также воды содержащей аммиак;

упрощение техники хлорирования;

снижение цветности воды за счет окисления хлором органических веществ и перевода их в неокрашенные соединения;

устранение посторонних привкусов и запахов, особенно обусловленных присутствием сероводорода, а также разлагающимися веществами растительного и животного происхождения;

отсутствие хлорфенольного запаха при наличии фенолов, так как при этом образуются не моно, а полихлорфеноны, которые запахом не обладают;

уничтожение споровых форм микроорганизмов при дозе активного хлора 100-150 мг/л при длительном контакте (2-5 ч);

создание значительно лучших условий для процесса коагуляции.

Кнедостаткам можно отнести необходимость дополнительной обработки воды – дехлорирования и повышенный расход хлора. В качестве дехлорирующего средства можно применять тиосульфат натрия, сернокислый натрий, сернистый ангидрид фильтрование через активированный уголь; для более медленного дехлорирования – длительное отстаивание и кипячение.

Одним из способов обеззараживания воды является хлорирование с преаммонизацией, при котором в воду последовательно вводят сначала аммиак, а затем хлор. Хлорирование с преаммонизациеи используют с целью предотвращения появления специфических запахов в случае хлорирования воды, содержащей фенол или бензол, а также для пресечения образования канцерогенных веществ (хлороформ и др.) во время хлорирования воды при наличии в ней гуминовых и других веществ. Несмотря на положительные стороны применения хлора для обеззараживания питьевой воды, в последние годы выявлены и отрицательные последствия хлорирования воды для здоровья населения. В результате реакции хлора с находящимися в воде гуминовыми соединениями, продуктами жизнедеятельности некоторых организмов и веществами техногенного происхождения в воде могут образовываться высокотоксичные, канцерогенные и мутагенные вещества. К ним относятся:

49

хлороформ, бромоформ, дибромхлорметан и другие.

Хлорирование постпереломными дозами (рис.14). Наличие в воде органических соединений, способных к окислению, неорганических восстановителей, а также коллоидных и взвешенных веществ, обволакивающих микроорганизмы, приводит к замедлению процесса обеззараживания воды. Небольшие дозы хлора полностью связываются органическими веществами, неорганическими восстановителями, взвешенными частицами, гуминовыми веществами и микроорганизмами воды.

Рис. 14. График зависимости величины и вида остаточного хлора от введенной дозы хлора: 1 – потребление хлора органическим веществом; 2 - образование хлорорганических соединений и хлораминов; 3 – разрушение хлорорганических соединений и хлораминов; 4 – совместное присутствие свободного и связанного хлора; 5 - «точка перелома»5

При хлорировании воды, не содержащей аммиака или других азотсодержащих соединений, с увеличением количества внесенного в воду хлора возрастает содержание в ней остаточного свободного хлора. Но картина меняется при наличии в воде аммиака, аммонийных солей и других азотсодержащих соединений, которые являются составной частью природной воды или искусственно вносятся в нее. При этом хлор и хлорные агенты взаимодействуют с присутствующим в воде аммиаком, аммонийными и органическими солями, содержащими аминогруппы. Это приводит к образованию моно- и дихлораминов, а также чрезвычайно нестойких трихлораминов:

NH3 + Н2O ↔ NH4OH;

Сl2 + Н2O ↔ НСlO + HCl; НСlO + NH4OH ↔ NH2Cl + Н2O; НСlO + NH2Cl ↔ NHCl2+ H2O;

НСlO + NHCl2 ↔ NCl3 + Н2O.

Хлорамины представляют собой связанный активный хлор, обладающий бактерицидным действием, которое в 25-100 раз меньше, чем у свободного хлора. Кроме того, в зависимости от pH воды изменяется соотношение между моно- и дихлораминами. При низких значениях pH (5-6,5) преимущественно

5 По материалам учебника под ред. В. Т. Мазаева «Коммунальная гигиена» (М. : ГЭОТАР – Медиа, 2014. – 704

с.)

50