Гончарук Е.И. Коммунальная гигиена 2006

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Гигиенические требования к устройству и эксплуатации водопровода

из поверхностных источников водоснабжения. Методы улучшения качества воды

В настоящее время 84% общего количества воды, подаваемой в города и поселки, берут из поверхностных водоемов. Надежная и бесперебойная работа системы хозяйственно-питьевого водоснабжения во многом зависит от выбора места расположения водозабора. Важно учитывать гидрологические, санитар­ ные и технико-экономические условия, среди которых основным, определяю­ щим, фактором являются санитарные.

Водозаборные сооружения на реке следует возводить выше по течению от населенного пункта, который обслуживается водопроводом, а также от мест впадения в реку притоков и яров, сброса стоков. Водозаборы нужно оборудо­ вать на стойком берегу при надлежащей и постоянной глубине воды возле не­ го в русле. Чаще всего таким требованиям отвечают вогнутые берега, хотя они в отличие от выпуклых сильнее размываются, но значительно меньше заносят­ ся песком, который ухудшает работу водозаборных сооружений. Места распо­ ложения водозаборов должны быть защищены от нагромождений льда во вре­ мя ледохода. Нельзя располагать водозаборы в местах оползней, а также зимо­ вки и нереста рыбы.

Водозаборные сооружения должны обеспечивать бесперебойную подачу воды и если можно улучшать ее качество. В зависимости от природных усло­ вий используют разные типы водоприемных сооружений.

По способу забора воды из источника различают береговые (забирают во­ ду из русла реки возле берегов), русловые (забирают воду из русла реки на не­ котором расстоянии от берега) и инфильтрационные (забирают подрусловую воду) водозаборы.

Береговые водозаборные сооружения. Береговыми называют такие со­ оружения, которые берут воду из русла реки непосредственно возле берега на достаточной для нормальной работы водозаборного сооружения глубине.

Они могут иметь прямоугольную или круглую форму. Их продуктивность составляет от десятков литров до десятков и сотен кубических метров в 1 с.

По условиям компоновки берегового колодца с насосной станцией I подъ­ ема различают две технологические схемы береговых водозаборов: совмещен­ ную (береговой сетчатый колодец и насосная станция скомпонованы в одном сооружении) и раздельную (береговой сетчатый колодец размещают на бере­ говом склоне, а насосную станцию I подъема выносят на расстояние 15—30 м на незатопляемый во время наводнения участок).

Русловые водозаборные сооружения. При достаточной для водоприема глубине лишь на значительном расстоянии от берега и относительно пологом береге точку забора воды приходится выносить далеко в русло реки, устраивая там специальный водоприемный оголовок. От оголовка вода поступает (са­ мотечными или сифонными линиями) в так называемый береговой колодец.

142

Такой тип водоприемника называется русло­ вым. При этом насосная станция может быть оборудована как отдельно от берегового ко­ лодца (раздельная компоновка), так и ском­ понованной с ним (совмещенная компоновка).

Водоприемные ковши и водоподводные каналы. Иногда для улучшения условий при­ ема воду берут не прямо из русла реки, а из искусственно созданных заливов — ковшей (ковшовые водозаборы). Чаще всего их испо­ льзуют на реках, где есть опасность образова­ ния внутриглубинного льда или наблюдают­ ся ледоходы. Также их применяют в том слу­ чае, когда необходимо уменьшить цветность

и мутность воды на участке водозабора путем природного отстаивания. Ковш располагают под углом 45° относительно течения реки. Для этого выбирают грунт в русле реки и срезают берег. Стены ковша закрепляют железобетоном, в верхнем перекрытии оборудуют вентиляционные стояки. Вход в ковш со сто­ роны реки защищают решеткой от попадания крупных предметов, льда и т. п. Акваторию ковша ограждают дамбой (рис. 8).

Берут воду из ковша через водоприемные окна берегового колодца, распо­ ложенного в его конце. При сверхсложных шуго-ледовых условиях воду из ко­ вша можно брать через затопленный русловый оголовок, от которого вода по­ ступает самотечными или сифонными линиями в береговой колодец.

Водоподводный канал длиннее ковша. Его длину определяют на основа­ нии гидравлических расчетов.

Инфильтрационные водозаборные сооружения. Если речная вода очень загрязненная, используют водозаборы инфильтрационного типа, в которых во­ ду фильтруют через грунт дна и берега реки, если русло реки образовано пес­ чаными, песчано-гравелистыми или галечниковыми водоносными грунтами. Речная вода, фильтруясь, насыщает их, создавая своеобразный поток, направ­ ленный по течению реки. Его называют подрусловым, а воду — подрусловой. Для забора подрусловой воды используют лучевые водозаборы и инфильтра­ ционные колодцы.

Лучевой водозабор состоит из водоприемных горизонтально расположен­ ных под руслом реки (на глубине 3—5 м от дна) перфорированных стальных труб и водосборного колодца, расположенного на берегу (рис. 9).

Инфильтрационный колодец (рис. 10) представляет собой трубчатый ко­ лодец, размещенный на берегу реки. При откачивании из колодца небольшого

количества воды в его фильтр будет поступать только грунтовая вода, которая питает реку. Если же отбор воды из колодца увеличить, то колодец будет пита­ ться грунтовой и подрусловой водой со стороны реки. При дальнейшем увели­ чении отбора воды из колодца в него будет поступать преимущественно вода из подруслового потока и лишь незначительная часть грунтовой.

143

Подрусловая вода, которую забирают инфильтрационные водоприемники, почти полностью осветлена, частично обесцвечена и обеззаражена. Это дает возможность иногда (когда вода отвечает действующему стандарту на питье­ вую воду) изымать из технологической схемы водоснабжения станцию обра­ ботки и улучшения качества воды. При этом устанавливается почти одинако­ вая в течение года температура (8—12 °С) воды, отпадает потребность в защите

144

водоприемных проемов от наносов, шуги, мусора, мальков и пр. Инфильтрационные водозаборы дают возможность забирать воду из малых неглубоких, а также имеющих нестойкое русло рек.

Гигиеническая оценка методов подготовки питьевой воды

К методам улучшения качества воды (водоподготовки) относятся: основ­ ные (осветление — удаление из воды взвешенных веществ, обесцвечивание — удаление окрашенных коллоидов или растворенных веществ, обеззаражива­ ние — уничтожение вегетативных форм патогенных микроорганизмов) и спе­ циальные (опреснение, дефторирование, смягчение, фторирование, обезжелезивание, детоксикация, дезодорация, дезактивация).

Микрофильтрация — это предварительное удаление из воды зоопланк­ тона (мельчайших водных животных) и фитопланктона (мельчайших расти­ тельных 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 превы­ шать 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 исход­ ной воды более 1000 клеток фитопланктона. Производительность микрофильт­ ров составляет от 4 до 45 000 м3/сут. Микрофильтры могут задержать до 75%

145

Рис. 11. Микрофильтр:

(а — разрез по А-А; б — продольный разрез): 1,10 — соответственно каналы отвода и подачи воды; 2 — сточная труба; 3 — воронка для сбора промывной воды; 6 — барабан с микросеткой; 7 — водослив; 8 — пластинчатые разбрызгиватели; 9 — входная труба; 11 — камера микрофильтра; 12 — фильтрую­ щие элементы

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 мож­ но устанавливать на водозаборах вместо ленточных сеток. Размер ячеек бара­ банных сеток — 0,5 х 0,5 мм, а защитных — 10x10 мм.

Осветление и обесцвечивание воды достигается в зависимости от нача­ льных показателей мутности и цветности естественным отстаиванием и филь­ трацией на медленных фильтрах или коагуляцией, отстаиванием и фильтраци­ ей на скорых фильтрах.

Отстаивание воды. Суть отстаивания состоит в том, что в стоячей или в медленно текущей воде взвешенные вещества, относительная плотность кото­ рых 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 приме­ няют специальные сооружения — отстойники. Однако естественный процесс отстаивания происходит медленно и эффективность осветления и обесцвечи­ вания 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 части­ цы, 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 тре­ бованиям 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 час­ тицы 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.

146

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Коагуляцией воды называют процесс укрупнения коллоидных и диспер­ гированных частиц, происходящий вследствие их слипания под действием сил молекулярного притяжения. Коагуляция завершается образованием видимых невооруженным глазом агрегатов — хлопьев и отделением их от жидкой сре­ ды. Различают два типа коагуляции: коагуляцию в свободном объеме (проис­ ходит в камерах реакции или хлопьеобразования) и контактную (в толще зер­ нистой 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; алюми­ ния оксихлорида — [А12(ОН)5]С1 • 6Н20; натрия алюмината — NaA102; железа сульфата — FeS04 • 7Н20; железа хлорида — FeCl3 • 6Н2 0 и др. Кроме алюмо- и железосодержащих, используют комбинированные коагулянты, которые со­ держат соли (сульфаты или хлориды) одновременно обоих металлов.

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

При добавлении к воде алюминия сульфат (сернокислый глинозем) всту­ пает в реакцию с кальция и магния гидрокарбонатами, которые всегда содер­ жатся в природной воде и обусловливают ее устранимую жесткость и щелоч­ ность:

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 гидроксида. 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 ве­ ществ, 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, объе­ диняются (агломерируются) и выпадают в осадок. Хлопья же самого коагулян­ та адсорбируют коллоидные и мелкие взвешенные частицы и выпадают на дно, механически захватывая с собой крупную взвесь.

Вследствие процесса коагуляции не только повышается скорость и эффек­ тивность осаждения взвеси, но и значительно уменьшается природная цвет­ ность воды, обусловленная наличием в ней гуминовых соединений. Обесцвечи­ вание, которого невозможно добиться другими способами очистки, происходит вследствие адсорбции гуминовых веществ на поверхности хлопьев коагулянта и дальнейшего выпадения в осадок. Уменьшение количества взвеси способст­ вует также значительному уменьшению количества бактерий и вирусов, содер­ жащихся в воде.

147

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Коагуляция происходит эффективно при условии, если концентрация гид­ рокарбонат-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°). При­ родная щелочность воды большинства рек достаточна для обеспечения коагу­ ляции даже высокими дозами алюминия сульфата. Однако иногда реки болот­ ного, озерного или ледникового происхождения не имеют необходимого резе­ рва природной щелочности. Кроме того, щелочность воды в реках может резко снижаться весной вследствие попадания большого количества талых вод. В та­ ких случаях воду приходится искусственно подщелачивать, для чего одновре­ менно с коагулянтом добавляют гашеную известь — Са(ОН)2 из расчета, что­ бы 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 Dm a x — максимальная доза коагулянта (мг/л), А — щелочность воды (мг-экв/л), 0,5 — желательный избыток щелочности, обеспечивающий пол­ ноту 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 до­ зы коагулянта является недостаточным. На водопроводах экспериментально определяют условия, при которых коагуляция будет происходить наилучшим образом. Обычно оптимальная доза алюминия сульфата для речной воды коле­ блется в пределах 30—200 мг/л. Эта доза изменяется в зависимости от сезон­ ных колебаний мутности воды в реке или эпизодически под влиянием ливне­ вых стоков.

Ориентировочно оптимальную дозу коагулянта можно определить по фор­ муле:

Дк =4л/К,

где DK — максимальная доза коагулянта (мг/л), К — цветность воды (градусы). Для ускорения коагуляции и интенсификации работы очистных сооруже­ ний применяют флокулянти — высокомолекулярные синтетические соедине­ ния. Различают флокулянты анионного (полиакриламид, К-4, К-6, активиро-

148

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ванная 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 взвешен­ ным осадком, уменьшают длительность пребывания воды в отстойниках за счет повышения скорости осаждения хлопьев, ускоряют фильтрацию и увеличи­ вают продолжительность фильтроцикла1. К использованию в практике водо­ снабжения допускаются только флокулянты, которые прошли гигиеническую апробацию, имеют научно обоснованные ПДК и включены в список веществ, разрешенных для использования при водоподготовке. С осторожностью сле­ дует использовать высокомолекулярные флокулянты группы полиакриламидов, при производстве которых происходит полимеризация мономера акриламида. 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 соз­ дание оптимальных условий для образования хлопьев. Коагуляция только под­ готавливает воду для дальнейшей обработки — осветления и обесцвечивания,

ив этом смысле не являются самостоятельным процессом водоподготовки.

Вряде случаев в схеме обработки воды коагуляция может отсутствовать.

Смесители. Эффективность процессов осветления и обесцвечивания во­ ды в значительной степени зависит от условий смешения обрабатываемой во­ дь: с применяемыми реагентами. Для смешения реагентов с обрабатываемой водой применяют смесительные устройства (сопла Вентури, диафрагмы) или специальные сооружения — смесители. Они должны удовлетворять требова­ нию 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 гидрав­ лическим относятся (рис. 12): смеситель коридорного типа (с вертикальным или горизонтальным движением воды); дырчатый смеситель; перегородчатый с разделением потока и вертикальный (вихревой). Выбор типа смесителя обос­ новывается 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 гид­ равлические и механические (флоккуляторы). Из камер гидравлического типа на практике отдают предпочтение водоворотным, вихревым и перегородчатым

Фильтроцикл — промежуток времени от начала работы фильтра до достижения предель­ ного снижения напора, при котором фильтр нужно вывести из режима фильтрации для промывки.

149

Рис. 12. Камеры гашения напора (смесители):

1 — дырчатого типа (вид сверху); 2 — ершового типа (вид сверху); 3 — коридорного типа (вид сверху); 4 — вихревого типа (вид сбоку);

а — труба, подающая воду после насосной станции I подъема со скоростью 1,2—1,5 м/с; b — отве­ дение воды в камеру реакции (скорость — 0,3—0,5 м/с; с — подача раствора коагулянта)

Рис. 13. Перегородчатая (а) и вихревая (б) камеры хлопьеобразования

камерам. Как правило, камеры всех типов, за исключением перегородчатых, встраивают в отстойники (рис. 13).

Для получения достаточно крупных хлопьев необходимо, чтобы вода на­ ходилась 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) хло­ пья в камере реакции разбиваются, а при ее снижении (менее 0,05 м/с) начина­ ют оседать, что приводит к ухудшению процесса коагуляции.

150