3 курс / Гигиена / Методы_улучшения_качества_питьевой_воды_

Министерство здравоохранения Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Саратовский государственный медицинский университет имени В.И.Разумовского» Министерства здравоохранения Российской Федерации

(ФГБОУ ВО Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского Минздрава России)

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ГИГИЕНЫ И ЭКОЛОГИИ

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

ДИСЦИПЛИНА: ГИГИЕНА

ТЕМА: Методы улучшения качества питьевой воды

САРАТОВ 2020

Конспект занятия.

Выделяют два вида систем коммунального водоснабжения населения: местное или децентрализованное и централизованное.

Для децентрализованного водоснабжения служат различного рода колодцы,

скважины или специально оборудованный транспорт.

Под централизованной системой питьевого водоснабжения понимается комплекс устройств и сооружений для забора, получения, хранения питьевой воды, подачи к местам использования и открытой для общего пользования гражданами и юридическими лицами.

В составе системы централизованного водоснабжения можно выделить две группы устройств:

1. Головные водопроводные сооружения – место, где осуществляют непосредственный забор воды из водоисточника, улучшают ее качество

(органолептические, химические и эпидемиологические свойства) и после этого направляют в разводящую сеть.

2. Разводящая сеть труб – сеть, основной задачей которой является доставка доброкачественной питьевой воды потребителям.

Все методы улучшения качества питьевой воды делятся на две группы: основные и специальные. Выбор методов, основывается на исходном качестве воды.

К основным методам улучшения качеств питьевой воды относятся:

•отстаивание, фильтрация, коагуляция, обеззараживание.

Специальные методы улучшения качества воды:

*Дезодорация - удаление посторонних привкусов и запахов.

*Дегазация - удаление из воды растворённых газов.

*Умягчение воды - удаление из неё катионов кальция и магния.

*Опреснение (обессоливание) воды - для снижения содержания в ней соли.

*Обезжелезивание - удаление из воды железа.

*Обесфторивание - освобождение воды от избыточного количества фтора.

*Фторирование производится при недостатке фтора.

*Дезактивация - удаление из воды радиоактивных веществ.

Первые этапы обработки воды направлены на осветление и обесцвечивание воды,

т.е. снижение таких показателей, как мутность и цветность воды. Осветление и частичное обесцвечивание воды достигается путем длительного отстаивания воды.

Отстаивание воды – процесс удаления из воды взвешенных частиц. Для этих целей используют два типа отстойников: горизонтальный и вертикальный.

Принцип работы горизонтального отстойника заключается в осаждение

Пройдя ее сверху вниз, осветляемая вода поступает в зону осаждения и там задерживается, а осветленная вода поднимается вверх и переливается через борт отстойника в круговой желоб.

Осадок, накапливающийся в нижней части отстойника, периодически (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).

Основным недостатками естественного отстаивания являются: долгое время и не возможность повлиять на коллоидные частицы, т.к. традиционными методами отстаивания и фильтрации воды удается задержать взвешенные частицы размером более 0,001 мм.

Стремление ускорить процесс отстаивания и удалить из воды коллоидные частицы привело к использованию этапа очистки воды называемом коагуляция.

Коагуляция – это процесс укрупнения и агрегации коллоидных и тонкодисперсных примесей воды за счет их слипания под действием сил молекулярного притяжения. Для этой цели в воду перед этапам отстаивания вносят особые вещества, называемые коагулянтами.

Коагулянты, в качестве которых чаще всего выступают соли алюминия Al2(SO4)3 и железа

FeSO4, разрушают агрегативную устойчивость примесей воды или образуют коллоиды,

сорбирующие примеси воды.

Наиболее распространенный коагулянт сернокислый алюминий в воде гидролизуется и вступает в реакцию с бикарбонатами кальция и магния, определяющими устранимую жесткость и щелочность воды. В результате реакции образуется коллоидный раствор гидрата окиси алюминия, который в дальнейшем коагулирует с образованием хлопьев.

Одновременно коагулянт способствует нейтрализации заряда находящихся в воде собственных коллоидных частиц, их агломерации и хлопьеобразованию. Появившиеся крупные хлопья оседают, адсорбируя на своей поверхности мелкодисперсные взвешенные частицы, бактерии и водоросли, что в конечном итоге приводит к эффективному осветлению воды и способствует ее обесцвечиванию. В некоторых случаях в качестве коагулянта используют сернокислые и хлорные соли железа. Однако в связи с коррозийными свойствами, а также с раздражающим действием на кожу и слизистые оболочки эти препараты не нашли широкого применения. При этом очень важным условием эффективной коагуляции воды является правильная схема применения коагулянта. Коагулянт вносят в

воду в специальных камерах реакции, расположенных перед отстойниками. Растворение коагулянта и полноценный процесс хлопьеобразования продолжаются 20-45 мин. Чтобы хлопья не оседали и в то же время не разбивались, скорость движения воды должна поддерживаться в камерах реакции в пределах от 0,2 до 0,6 м/с при одновременном перемешивании. «Созревший» раствор подается в отстойники, где крупные хлопья оседают и осветляют воду. Если коагулянт вносить непосредственно в отстойник, то вода успевает пройти более половины его длины, прежде чем образуются хлопья, что существенно снижает эффективность коагуляции. Кроме того, растворившийся, но еще не гидролизовавшийся коагулянт может проходить через фильтры и выпадать в виде хлопьев уже в очищенной воде.

Далее, вода из отстойника поступает на фильтрацию. Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой железобетонный резервуар, заполненный двумя слоями. Первый слой носит название «фильтрующий». Чаще всего этот слой состоит из кварцевого песка,

антрацитовой крошки, керамзита, шунгизита или дробленого мрамора. Основная функция фильтрующего слоя – непосредственная задержка взвешенных частиц и хлопьев. Второй слой – «поддерживающий» служит для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруемой водой. Он состоит из слоев гравия или щебня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм. Пройдя эти два слоя очищенная вода, по системе труб с отверстиями отводится из фильтра (рис.2 и 3).

Рис.2. Схема строения песочного фильтра

Рис.3 Схема строения (в разрезе) песочного фильтра

По скорости фильтрования различают:

1.медленные фильтры 0,3 м/ч (открытые);

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

По характеру механизма задержания взвеси различают:

1. Фильтрование через фильтрующую пленку, образованную частицами взвеси,

оседающими на поверхности фильтрующего слоя. 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. Механические примеси проникают в толщу фильтрующего слоя 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. В результате 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.

Следующим этапом обработки воды является обеззараживание.

Обеззараживание воды – это процесс уничтожения живых и вирулентных патогенных микроорганизмов (бактерий и вирусов).

Обеззараживание воды может осуществляться химическими (реагетными) или физическими (безреагентными) методами.

К физическим методам относятся: кипячение, облучение ультрафиолетовыми лучами, воздействие ультразвуковыми волнами, токами высокой частоты, быстрыми электронами или гамма-лучами.

Химические методы: обеззараживание воды, хлорирование, озонирование,

использование серебра.

Физические методы обеззараживания воды.

1. Кипячение – метод обеззараживания простой и надежный, но применяется в основном только для обеззараживания небольших объемов воды, чаще в домашних или

походных условиях, при отсутствии доступа к чистой питьевой воде. При этом необходимо учитывать, что начальное обеззараживающее действие проявляется уже при 80 С0, но вегетативные формы погибают через 2-3 минуты кипячения, а затем споровые - но через 20-

30 минут. Также следует учитывать, что кипяченая вода лишена не только болезнетворных,

но и сапрофитных, безвредных или даже полезных для человека микроорганизмов. В такой воде легко размножаются попавшие в нее уже после кипячения и охлаждения микроорганизмы, что приводит к быстрому ухудшению ее качества. Поэтому кипяченую воду следует сохранять в плотно закрытых емкостях в прохладном месте не более 24 часов.

2. Обеззараживание ультрафиолетовыми лучами – метод, основанный на бактерицидном действии ультрафиолетовых лучей с длинной волны 205-315 нм (250-270 нм максимум бактерицидного действия). Под воздействием УФ излучения в клетках находящихся в воде микроорганизмов происходят необратимые процессы, вызывающие нарушение молекулярных и межмолекулярных связей. Метод УФ обеззараживания не изменяет химического состава и органолептических качеств воды. Достоинством метода является также время обеззараживания (несколько секунд). Лучи пагубно воздействуют не только на вегетативные формы патогенных бактерий, но также на устойчивые к хлору споры, вирусы и яйца гельминтов. Отсутствие опасности передозировки в отличие от реагентных методов. Эффективность обеззараживания УФ не зависит от рН и температуры обрабатываемой воды. Но, несмотря на многие положительные стороны, использования УФ облучения для обеззараживания питьевой воды на сегодняшний день ограничено, так как,

повышенные мутность, цветность и содержание железа уменьшают проницаемость воды для бактерицидных УФ лучей, а значит сознается угроза не полного обеззараживания при больших толщах воды.

3. Обеззараживание ультразвуком – метод, основанный на механическим разрушением клеточной оболочки бактерий (вегетативные и споровые формы) в

ультразвуковом поле. При этом бактерицидный эффект напрямую связан с интенсивностью ультразвуковых колебаний и не зависит от мутности и цветности обрабатываемой воды.

Также стоит отметить отсутствие влияния на органолептические свойства воды.

Достоинством метода является также время обеззараживания (несколько секунд).

Сдерживающими факторами для масштабного применения остаются сложность конструирования установок большой производительности и высокая стоимость.

4. Обеззараживание гамма-излучением – метод в основе которого лежит губительное действие на бактериальную клетку свободных радикалов, образующихся в процессе радиолиза воды при воздействии гамма-излучения. К достоинствам метода следует отнести широкий антимикробный спектр действия и время контакта. Метод достаточно

затратный, но с целью снижения экономических затрат было предложено использовать отработанные тепловыделяющие элементы атомных реакторов. Сдерживающими факторами для масштабного применения остаются очень высокие требования к технике безопасности и отсутствие оперативного контроля качества воды.

Химические методы обеззараживания воды.

В практике коммунального водоснабжения используют химические методы обеззараживания воды, самым распространённым из которых является метод хлорирования воды. Россия была одной из первых стран, в которой хлорирование воды стало применяться на водопроводах. Произошло это в 1910 г. Однако на первом этапе хлорирование воды проводили только при вспышках водных эпидемий. В настоящее время хлорирование воды является одним из наиболее широко распространенных методов. Широкое применение этого способа объясняется надежностью, доступностью и экономическими преимуществами.

В целях обеззараживания воды могут применять газообразный хлор, хлорную известь, гипохлорит кальция, хлорамины, двуокись хлора и другие хлорсодержащие вещества. Химизм происходящих процессов объясняется следующим образом:

Cl2 + H2O = HOCl + HCl,

HOCl = H+ + OCl-

Т. е. при добавлении хлора к воде происходит его гидролиз и образуются соляная и хлорноватистая кислоты. Далее, хлорноватистая кислота диссоциирует на ион водорода и гипохлорит-ион, при этом степень диссоциации хлорноватистой кислоты зависит от рН воды. Обеззараживающее действие оказывают и хлорноватистая кислота, и гипохлорит-ион.

Процесс взаимодействия хлора с бактериальной клеткой протекает в два этапа: сначала обеззараживающий агент диффундирует внутрь бактериальной клетки, а затем вступает в реакцию с белками цитоплазмы, ядерным аппаратом клетки, а также с энзимами клетки, в

первую очередь с дегидрогеназами, блокируя SH-группы.

На эффективность хлорирования оказывает влияние ряд факторов:

•биологические особенности микроорганизмов;

•бактерицидные свойства препаратов хлора;

•состояние водной среды;

•условия, в которых происходит обеззараживание.

Существует несколько способов хлорирования воды:

1.Хлорирование малыми дозами (по хлорпотребности воды).

2.Гиперхлорирование

3.Хлорирование постпереломными дозами хлора.

4.Хлорирование с преаммонизацией.

Хлорирование малыми дозами (по хлорпотребности) – сущность метода заключается в том, что необходимо опытным путем подобрать оптимальную рабочую дозу активного хлора. То есть такого количества хлора, которого будет достаточно, чтобы:

покрыть всю хлорпоглощаемость + обеспечить обеззараживающий эффект + остаться в воде в небольшом количестве в виде остаточного хлора (алгоритм хлорирования малыми дозами представлен в приложении 1).

Хлорпоглощаемость воды – количество хлора, которое при хлорировании 1 л воды расходуется на окисление органических и минеральных веществ. Поскольку природные воды имеют различный состав, то и хлорпоглощаемость у них каждый раз различна.

Остаточный хлор – количество хлора, определяемое в 1 литре воды, через 30-60

минут (летом-зимой) времени контакта хлора и воды. Его можно считать косвенным показателем эффективности обеззараживания воды. Нормой содержания остаточного хлора согласно СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода...» считают цифры 0,3-0,5 мг/л для так называемого свободного остаточного хлора (хлорноватистая кислота и гипохлорит-

ион) и 0,8-1,2 мг/л для связанного (хлораминного) хлора. В указанных диапазонах концентраций остаточный хлор не изменяет органолептические свойства воды и в то же время точно определяется аналитическими методами.

Хлорпотребность – это количество активного хлора в миллиграммах, необходимое для обеззараживания 1 л воды. При хлорировании малыми дозами чаще всего диапазон необходимого количества хлора укладывается в цифры 1-5 мг/л обрабатываемой воды.

Гиперхлорирование (суперхлорирование, перехлорирование) – сущность метода заключается в добавление в воду заведомо большого количества хлора (10-20 мг/л и более). К этому методу прибегают в особых случаях: в военно-полевых условиях или в случае особой эпидемиологической обстановки. К причинам применения именно такогго метода следует отнести:

- возможность сокращения времени контакта воды с хлором (до 15-20 минут),

сохраняя при этом надежное обеззараживание;

- высокое обеззараживающее действие в отношении всех видов микроорганизмов

(бактерий, вирусов, риккетсий Бернета, цист, дизентерийной амебы, туберкулеза и даже спор сибирской язвы);

-простота техники выполнения (в отличии от хлорирования малыми дозами, не нужно опытным путем подбирать рабочую дозу хлора);

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