Основные способы улучшения качества воды. Классификация, краткая характеристика.

К основным методам относят:

1)Очистка воды. Очистка является важным этапом в общем комплексе методов улучшения качества воды, так как улучшает ее физические и органолептические свойства. Очистка осуществляется механическим (отстаивание), физическим (фильтрование) и химическим (коагуляция) методами.

Отстаивание, при котором происходит осветление и частичное обесцвечивание воды, осуществляется в специальных сооружениях - отстойниках. Принцип их действия состоит в том, что благодаря поступлению через узкое отверстие и замедленному протеканию воды в отстойнике основная масса взвешенных частиц оседает на дно.

Фильтрация - процесс более полного освобождения воды от взвешенных частиц, заключающийся в том, что воду пропускают через фильтрующий мелкопористый материал, чаще всего через песок с определенным размером частиц. 

Коагуляция представляет собой химический метод очистки воды. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет освободить воду от загрязнений, находящихся в виде взвешенных частиц, не поддающихся удалению с помощью отстаивания и фильтрации.

2)Обеззараживание. Уничтожение микроорганизмов является последним завершающим этапом обработки воды, обеспечивающим ее эпидемиологическую безопасность. Для обеззараживания воды применяются химические (реагентные) и физические (безреагентные) методы.

. Реагентные способы осветления, обесцвечивания и фильтрации воды. Гигиеническая оценка. Критерии оценки эффективности улучшения качества по СанПин.

Реагентные методы очистки воды можно разделить на двухступенчатые (коагуляция -- осветление -- фильтрование) и одноступенчатые (контактная коагуляция -- прямоточное фильтрование).

Двухступенчатая схема очистки

В основе очистки воды городского водоснабжения лежит двухступенчатая схема, в основе которой находится применение сернокислого алюминия и хлора. Аппаратное оформление двухступенчатой схемы очистки: смесители -- камеры хлопьеобразования -- отстойники (осветлители, флотаторы) -- скорые фильтры.

Но с увеличением количества вредных примесей в воде, что связано с общей экологической ситуацией, данный способ очистки не справляется с поставленной задачей, именно поэтому к данной схеме следует добавить процедуру озонирования, коагуляции, повторного озонирования, фильтрации и ультрафильтрации. После чего осуществляется обеззараживание хлором. Без данного этапа вода не может считаться качественной и безвредной.

Все эти этапы позволяют сделать воду безопасной для использования в повседневной жизни, но, тем не менее, следует применять ещё и барьерный способ очистки воды собственными силами, основанный на применении фильтров, тем самым вода станет не только безопасной, но и полезной для здоровья.

Одноступенчатая схема прямоточного фильтрования включает коагуляцию -- фильтрование. Коагуляция происходит непосредственно в фильтрующей загрузке.

Обработка воды раствором коагулянта позволяет увеличить крупность взвешенных веществ и улучшить работу фильтров водопроводных станций. Обработку воды коагулянтами применяют для очистки воды от взвешенных веществ пестицидов, нефтепродуктов, снижения цветности и для интенсификации процесса реагентного умягчения воды.

Для улучшения качества воды, используемой для хозяйственно-бытовых целей, применяют фторирование и дефторирование воды. Заключительным этапом очистки воды является обеззараживание газообразным хлором, хлорной известью, гипохлоритом кальция или натрия и гипохлоритами, получеными путем электролиза непосредственно на станции в специальных электролизерах, озоном, ультрафиолетовыми лучами.

Для удаления грубодисперсных и коллоидных веществ осуществляется осветление. Эффективность осветления контролируется содержанием взвешенных веществ. Очистка воды от них происходит в отстойниках или специальных осветлителях (осадок в них поддерживается во взвешенном состоянии потоком поступающей снизу вверх воды), в напорных или открытых фильтрах и контактных осветлителях с загрузкой из зернистых материалов, а также во флотаторах, гидроциклонах и фильтрах намывных (напорных), которые позволяют добиться более глубокой очистки от взвешенных веществ. Для устранения цветности воды, если она обусловлена гуминовыми соединениями, применяют коагуляцию солями алюминия (при рН около 5) или озонирование. Если причина цветности воды -- соединения трехвалентного Fe, то ее устраняют при обезжелезивании. Безреагентные способы осветления, обесцвечивания и фильтрации воды. Гигиеническая оценка. Критерии оценки эффективности улучшения качества по СанПин.

Основой безреагентных методов является предварительное аэрирование воды, которое может осуществляться различными способами, и последующее фильтрование через зернистую загрузку, например через кварцевый песок.

К известным в настоящее время безреагентным методам очистки воды относятся: упрощённая аэрация и фильтрование, глубокая аэрация, отстаивание и фильтрование, «сухая» фильтрация.

Однако каждый из этих методов имеет свои недостатки. Применение метода упрощенной аэрации с последующим фильтрованием затруднено при повышенных концентрациях железа в исходной воде, а также при наличии в подземной воде гумусовых веществ или других органических соединений, образующих трудноокисляемые органоминеральные железистые соединения, практически не извлекаемые из воды при ее очистке данным методом обезжелезивания. К недостаткам метода «сухой» фильтрации можно отнести повышенный расход электроэнергии в процессе водоочистки (по сравнению с методом упрощённой аэрации), необходимость постоянного контроля за водовоздушным соотношением, повышение коррозионности очищенной воды вследствие избыточной концентрации в ней непрореагировавшего кислорода.

При очистке подземных вод содержащих сероводород, в основном, применяется метод аэрации с последующим окислением. В основном в роли окислителя используется хлор. При этом одним из основных продуктов окисления сероводорода является коллоидная сера, придающая воде характерную мутность, устойчивую опалесценцию и неприятный вкус. Анализ современных технологий очистки сероводородных вод показывает, что в подавляющем большинстве случаев этап очистки сероводородных вод от коллоидной серы предлагается осуществлять методом контактного осветления на фильтровальных сооружениях, благодаря чему водоочистка водоподготовка будет проходить еще быстрее. Однако необходимость применения больших доз коагулянта приводит к образованию и накоплению в процессе очистки воды огромного количества серосодержащих осадков гидроксидов металлов, обработка и утилизация которых трудоёмкая и дорогостоящая. Кроме того, даже реагентная обработка такой воды коагулянтами не всегда обеспечивает надёжное, глубокое удаление коллоидной серы до требуемых нормативов очистки воды.

Адсорбция микроорганизмов при осветлении и фильтрации воды весьма велика, полной гарантии эпидемической безопасности такая схема очистки не обеспечивает. В связи с этим после очистки на фильтрах вода проходит обеззараживание.

Обеззараживание - заключительный и наиболее важный процесс улучшения качества воды.

Методы обеззараживания воды:

-хлорирование

-озонирование

- йодирование

-обработка солями тяжелых металлов

-УФ-облучение

-действие ионизирующей радиации

-ультразвук

Краткая характеристика:

1) Хлорирование

Основное биологическое действие оказывают хлорноватистая кислота и гипохлоритный ион, которые вместе и обозначают понятием «активный хлор».Активный хлор легко проникает в бактериальные клетки и инактивирует ферменты, содержащие SH-группы.Достаточная эффективность хлорирования обеспечивается рядом условий: вода должна быть предварительно освобождена от взвешенных коллоидных веществ; также обеспечить хорошее перемешивание хлора в объеме воды и достаточную длительность его действия.Хлор, поступающий в воду, связывается микроорганизмами, органическими веществами и недоокисленными неорганическими соединениями, что составляет хлорпоглощаемость воды. После связывания активного хлора в воде должно остаться некоторое количество свободного остаточного хлора. Обеззараживание воды считается надежным, если остаточный хлор составляет 0,3- 0,5 мг/л.

2) Озонирование

Сильные окислительные свойства обеспечивает выраженное бактерицидное действие озона.. Озон действует быстрее хлора и при этом не только надежно обеззараживает воду, но одновременно и достаточно эффективно обесцвечивает ее, устраняет запахи и привкусы. Ни сам озон, ни его соединения не обладают ни запахом, ни вкусом.Даже в большом количестве озон в воде нетоксичен, так как в течение нескольких секунд превращается в кислород. Его действие, в отличие от хлора, мало зависит от физических и химических свойств воды. Кроме того, озон не требует сложного оборудования для доставки и хранения, поскольку производится непосредственно на месте газоразрядным методом в озонаторах

3) Обеззараживание тяжелыми металлами

Эффективно обеззараживают воду в первую очередь серебро. Ионы серебра фиксируются на мембранах бактериальных клеток, нарушая мембранные процессы и вызывая гибель микроорганизмов. ПДК серебра в питьевой воде составляет 0,05 мг/л.Важным преимуществом дезинфекции воды серебрением является, наряду с обеззараживающим, консервирующее действие серебра. Вода, обработанная ионным серебром или пропущенная сквозь посеребренный песок, не теряет своих бактерицидных, биохимических и вкусовых свойств в течение многих месяцев.филактического средства.Другие реагентные способы обеззараживания воды, например, применение соединений йода, марганца, перекиси водорода, не нашли широкого применения в практике водоснабжения и используются в основном для дезинфекции индивидуальных запасов воды в полевых условиях и экстремальных ситуациях

4) УФ-облучение

Несомненными достоинствами обеззараживания воды УФ-лучами следует считать быстроту действия, эффективность влияния не только на вегетативные, но и на споровые формы бактерий, а также на яйца гельминтов и вирусы. излучатели используются не только для обеззараживания питьевой воды, но и в аптечных и больничных учреждениях для дезинфекции дистиллированной воды. Применяемые в практике водоснабжения УФ-установки делятся на непогружные и погружные. Непогружные установки типа ОВ-3Н с лампами БУВ имеют малую мощность и предназначены для водопроводов небольших населенных пунктов. Погружные установки типа ОВ-ПК-РКС обладают высокой мощностью (до 3000 м3/ч) и используются на больших водопроводных станциях.

Другие известные физико-химические способы обеззараживания воды используются в современных условиях либо для обработки индивидуальных запасов воды (использование таблетированных препаратов, кипячение), либо находятся на стадии экспериментальных разработок (воздействие ультразвука, ионизирующего излучения, радиоволн).

Критерии оценки эффективности улучшения качества по СанПин:

 В РФ гигиенические требования к качеству питьевой воды, подаваемой централизованными системами водоснабжения, изложены в санитарных правилах и нормативах «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованной системы питьевого водоснабжения. Контроль качества » СанПиН 2.1.4.1074-01. Санитарные правила применяются в отношении воды, предназначенной для питьевых и бытовых нужд населения, а также для производственных целей, требующих применения воды питьевого качества.

Питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом и радиационном отношении, безвредна по химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства. Обеззараживание методом кипячения, гигиеническая характеристика метода, механизм бактерицидного действия. Критерии оценки эффективности по Сан-Пин. Кипячение воды, т. е. нагревание ее до 100⁰ С, приводит к безусловной гибели всех микроорганизмов, в том числе и патогенных. Кроме того, при кипячении могут разрушаться некоторые термолабильные токсины (ботулотоксин) и ядовитые вещества. В том числе и ОВ. Для большей гарантии в отношении термоустойчивых вирусов кипячение рекомендуют продолжать в течение 10-15 мин. Уничтожение споровых форм достигается увеличением срока кипячения до 2 часов. Такого же эффекта можно достичь нагреванием воды до 110-120^оС в течение 5-10 мин при избыточном давлении (автоклавирование).

Кипячение воды, как метод ее обеззараживания по сравнению с другими имеет ряд преимуществ. К их числу относятся простота, доступность и надежность обеззараживания, независимость бактерицидного эффекта от состава воды, отсутствие заметного влияния на физико-химические и органолептические свойства воды.

+Наряду с преимуществами метод обеззараживания воды кипячением имеет и некоторые существенные недостатки: он экономически нерентабелен, требует большого количества топлива и сравнительно громоздкий из-за малопроизводительной аппаратуры в виде различного рода кипятильников. В связи с этим кипячение для целей обеззараживания больших количеств воды не применяется. При обработке небольших объемов воды он широко используется как в мирное, так и в военное время.

Обеззараживание с использованием ультрафиолетового облучения, гигиеническая характеристика метода, механизм бактерицидного действия. Критерии оценки эффективности по СанПин. Бактерицидное действие ультрафиолетовых (УФ) лучей, широко известно и неоднократно доказано в экспериментах. УФ лучи проникают через 25 см слой прозрачной и бесцветной воды. Под воздействием УФ излучения в клетках находящихся в воде микроорганизмов происходят необратимые процессы, вызывающие нарушение молекулярных и межмолекулярных связей. Это приводит к денатурации (разрушению) белков клеток протоплазмы, в частности, к повреждению ДНК, РНК, клеточных мембран, и как следствие, к гибели микроорганизмов. Образующиеся под воздействием УФ излучения короткоживущие молекулы озона, атомарный кислород, свободные радикалы и гидроксильные группы дополнительно воздействуют на находящиеся в воде микроорганизмы.

Метод УФ обеззараживания не изменяет химического состава и органолептических качеств воды. Достоинством метода является также быстрота обеззараживания (несколько секунд) и отсутствие запаха и привкуса при использовании ультрафиолетовых лучей. Лучи пагубно воздействуют не только на вегетативные формы патогенных бактерий, которые погибают после облучения в течение 1-2 мин, но также на устойчивые к хлору споры, вирусы и яйца гельминтов. Многочисленные исследования показали отсутствие вредных эффектов даже при дозах УФ облучения, намного и превышающих практически необходимые. Следовательно,  в отличие от технологии хлорирования и озонирования, принципиально отсутствует опасность передозировки УФ облучения. В то же время имеются сведения о том, что если доза УФ излучения выбрана правильно, активация микроорганизмов не наблюдается, что позволяет применять УФ обеззараживание без последующего ввода консервирующих доз хлора.

Технология обеззараживания воды УФ облучением является наиболее простой в реализации и обслуживании. Для обеззараживания воды УФ облучением характерны незначительные затраты электроэнергии (в 3-5 ниже, чем при озонировании) и отсутствие потребности в дорогостоящих реактивах.

+Для обеззараживания воды применяют установки с ртутно-кварцевыми лампами высокого давления и аргоно-ртутные лампы низкого давления. Лампы помещаются над потоком облучаемой воды или в самой воде. В первом случае они снабжены отражателем для направленного облучения, во втором лучи распространяются по окружности во все стороны.

Несмотря на многие положительные стороны использования ультрафиолетового облучения для обеззараживания питьевой воды, необходимо учитывать, что повышенные мутность, цветность и соли железа уменьшают проницаемость воды для бактерицидных УФ лучей. Поэтому для обеззараживания УФ облучением в большей степени пригодны воды из подземных источников с содержанием железа не более 0,3 мг/л, невысокими мутностью и цветностью. При необходимости УФ обеззараживания воды из поверхностных и некоторых подземных источников требуется ее предварительная очистка (осветление, обесцвечивание, обезжелезивание и др.). Обеззараживание с использованием ультразвука, гигиеническая характеристика метода, механизм бактерицидного действия. Критерии оценки эффективности по СанПин.

Для обеззараживания воды необходима его интенсивность более 2 Вт/см² при частоте 20-50 кГц [3-6]. Исследования обеззараживания сточной воды ультразвуком показывают . что для уменьшения количества Е.coli или фекальных колиформ на три порядка необходима обработка воды ультразвуком в течение 60 мин при плотности ультразвуковой мощности 400 Вт/л. Для сравнения аналогичный эффект обеззараживания УФ-облучением обеспечивается при энергетических затратах порядка 0,02-0,04 Вт·ч/л. Получается, что затраты энергии при обеззараживании сточных вод ультразвуком в несколько тысяч раз выше , чем при УФ-облучении. При малом времени воздействия или при низких интенсивностях ультразвука количество микроорганизмов может увеличиться.

+В настоящее время не определены такие важные параметры, как зависимость степени инактивации от мощности ультразвукового воздействия для различных групп микроорганизмов и условия, при которых обеспечивается эффективное обеззараживание ультразвуковой обработкой. Для практического применения любого метода обеззараживания необходимо иметь критерии и способы контроля эффективности процесса. Для химических методов обеззараживания таким критерием является остаточная концентрация реагента, при УФ-обеззараживании контролируется доза облучения при помощи специальных датчиков. Для обеззараживания ультразвуком отсутствуют критерии и методы контроля процесса, а также нормативные документы, регламентирующие его использование для обеззараживания сточной воды. При применении ультразвука следует обращать внимание на процессы, которые могут влиять на конструкцию установок, режим эксплуатации, эксплуатационные расходы, на требования к размещению и к обслуживанию персоналу и т. д. Из возможных последствий применения ультразвука особо негативными являются повышенная эрозия под воздействием кавитации и интенсивное разрушение конструктивных материалов. УФ-лампы низкого давления, применяемые в большинстве систем УФ-обеззараживания, являются сложными электровакуумными приборами, которые не проходят испытания на воздействие ультразвука, поэтому ресурс УФ-ламп может снизиться . ресурс существующих ультразвуковых излучателей имеет срок службы, соответствующий сроку службы УФ-ламп, поэтому к эксплуатационным расходам на замену ламп добавятся расходы по замене ультразвуковых излучателей и генераторов.

+При использовании ультразвука необходимо применять дополнительные меры по защите персонала от воздействия его вибраций и высокочастотного шума. 

Следовательно, при обеззараживании воды ультразвуком энергетические затраты в несколько тысяч раз превышают затраты энергии при УФ-облучении, что делает самостоятельное использование ультразвукового метода неконкурентоспособным. Воздействие малых доз ультразвука имеет противоположный обеззараживанию эффект – стимулирует увеличение общего количества микроорганизмов в воде. В настоящее время ультразвуковая обработка воды в коммунальных системах невозможна, поскольку отсутствуют критерии контроля этого процесса и нормативные документы, регламентирующие его применение. Совместное использование УФ-облучения и ультразвуковой обработки воды с целью повышения надежности обеззараживания нецелесообразно.  Бактерицидное действие ультразвука объясняется, в основном, механическим разрушением клеточной оболочки бактерий в ультразвуковом поле. При этом бактерицидный эффект связан с интенсивностью ультразвуковых колебаний и не зависит от мутности (до 50 мг/л) и цветности. Эффект обеззараживания распространяется не только на вегетативные, но и на споровые формы микроорганизмов.

Обеззараживание с использованием радиоактивного излучения, гигиеническая характеристика метода, механизм бактерицидного действия. Критерии оценки эффективности по СанПин. Радиационное обеззараживание воды. Ионизирующим (проникающим) излучением называется коротковолновое рентгеновское и γ-излучение, поток высокоэнергетических заряженных частиц (электроны, протоны, дейтроны, α-частицы и ядра отдачи), а также быстрых нейтронов (частицы, не имеющие зарядов). Взаимодействуя с электронными оболочками атомов и молекул среды, они передают им часть своей энергии, производя ионизацию молекул. Освободившиеся при этом электроны, как правило, обладают значительной энергией, которая расходуется на ионизацию еще нескольких молекул воды.

Ионизирующее излучение является мощным безреагентным фактором, действие которого приводит к гибели имеющихся в облучаемой воде болезнетворных микроорганизмов и ее обеззараживание. Первичные продукты радиолиза воды нарушают обмен веществ в бактериальной клетке.

Радиационная очистка и обеззараживание воды имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными методами обработки:

• универсальность, то есть возможность обезвреживать многие органические и любые микробные загрязнители;

• высокую степень обеззараживания и очистки;

• высокую скорость обработки и возможность полной автоматизации.

• Однако учитывая загрязнение водных объектов специфическими техногенными веществами и по другим причинам, практическое распространение получают комбинированные методы, когда  радиационная  обработка воды  используется совместно с традиционными методами обеззараживания (хлорированием или озонированием).

.Обеззараживание методом хлорирования нормальными дозами, гигиеническая характеристика метода, механизм бактерицидного действия. Критерии оценки эффективности по СанПин. 1) Образование “активного хлора”, применяемого в обеззараживании

Для дезинфекции воды используют газообразный хлор или хлорную известь. Молекулярный хлор в воде гидролизуется с образованием хлорноватистой и хлористоводородной кислоты. Нестойкая хлорноватистая кислота, в свою очередь, диссоциирует, в результате чего образуется гипохлоритный ион. Основное биологическое действие оказывают хлорноватистая кислота и гипохлоритный ион, которые вместе и обозначают понятием «активный хлор». В сухой хлорной извести, применяемой в водоснабжении, содержится не менее 25% активного хлора