7.5. Питьевая вода, методы, способы и средства обеспечения её качества

По данным В.Ф. Протасова (2001), более половины населения РФ вынуждено пользоваться водой, качество которой не отвечает установленным санитарным правилам и нормам (СанПиН). Как уже ранее отмечено, не соответствуют этим нормам примерно 2/3 водных источников питьевого назначения, в том числе 50% поверхностных водных источников и 20 % подземных вод.

Потребление воды одним городским жителем южных регионов России составляет: в доме без канализации – 75 л/сутки, с канализацией, газовым водонагревателем – 210 л/сутки, со всеми удобствами – 275 л/сутки. Для городов средней полосы: в доме без ванн 125–160 л/сутки, с ваннами – 160–230 л/сутки, с центральным горячим водоснабжением – 250–350 л/сутки, в сельской местности – 40 л/сутки.

Качество питьевой воды в настоящее время регламентируется СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества».

Данный СанПиН регламентирует качественные и количественные санитарно-токсилогические и органолептические показатели воды: максимально допустимое содержание в них вредных веществ, мутность, цветность, запах, вкус. В зависимости от степени загрязненности и качественного состава загрязняющих веществ в водоисточниках применяют различные способы её очистки для обеспечения нормативного качества. К таким методам прежде всего относят обеззараживание воды от болезнетворных бактерий, сорбционную очистку, опреснение и обессоливание и т.д. в целях удаления из воды наиболее характерных примесей: железа, марганца, диоксинов, галагеноорганических соединений.

Способы очистки воды. Для очистки воды любого хозяйственного назначения, как правило, первой стадией очистки является механическая, второй – физико-химическая и третьей – биологическая (рис. 7.20 и 7.21).

Рис. 7.20. Сооружение грубой очистки сточных вод (механическая очистка)

Рис. 7. 21. Сооружение биологической очистки сточных вод

При этом на многих станциях физико-химической и биологической очистки воды применяют сооружения вторичной механической очистки (это, как правило, вторичные отстойники) для выделения из воды нерастворимых примесей, образовавшихся в процессе физико-химической или биологической очистки.

Методы и технологическое оборудование для очистки сточных вод выбирают исходя из допустимых концентраций примесей в очищенных сточных водах. При этом необходимо иметь в виду, что требуемые эффективность и надежность любого очистного устройства обеспечиваются в определенном диапазоне концентраций примесей и расходов сточных вод. С этой целью применяют усредненные концентрации примесей или расхода сточных вод, а в отдельных случаях по обоим показателям одновременно. Для этого на входе в очистные сооружения устанавливают усреднитель, выбор и расчет которого зависят от изменяющихся параметров по времени сбросов сточных вод. Выбор объема усреднителя концентраций примесей сточной воды зависит также от коэффициента подавления, который определяется следующим образом:

К_П = (C_max– C_сp) / (C_q – C_ср),

где С_max – максимальная концентрация примесей в сточной воде, кг/м³;

С_ср – средняя концентрация примесей в сточной воде на входе в очистные сооружения, кг/м³;

С_q – допустимая концентрация примесей в сточной воде, при которой обеспечивается нормальная эксплуатация очистных сооружений, кг/м³.

При К_П 5 объем усреднителя (м³) определяется по формуле

V = K_П·Q · t _ПС,

где Q – превышение расхода сточной воды при переменном сбросе, м³/с;

t_ПС – продолжительность переменного сброса, с.

При К_П < 5 объем усреднителя равен

V = Q · t_ПС / ln [K_П / (К_П – 1)].

После расчета объема усреднителя выбирают необходимое число секций исходя из условия

К_С = Q · h / W_д ,

где h – высота секции усреднителя, м;

W_д = 0,0025 м/с – допустимая скорость движения в ней сточной воды.

В соответствии с видами процессов, реализуемых при очистке, существующие методы можно подразделить на механические, физико-химические и биологические.

Для очистки сточных вод от взвешенных веществ используют процеживание, отстаивание, обработку в поле центробежных сил и фильтрование.

Процеживание сточной воды протекает на вертикальных и наклонных решетках или в волокноуловителях. Ширина прозоров (щелей) обычно составляет 15–20 мм. Для очистки осажденных веществ с входной поверхности решеток используют ручное или механическое удаление. Для последующей обработки удаленного осадка в целях улучшения санитарно-гигиенических условий в помещении используют решетки-дробилки, которые улавливают крупные взвешенные вещества и измельчают их до 10 мм и менее. В настоящее время применяют несколько типоразмеров таких решеток, например, РД-200 производительностью 60 м³/ч и диаметром сетчатого барабана 200 мм. Для улавливания волокнистых веществ из сточных вод целлюлозно-бумажной и текстильной предприятий используют волокноуловители в виде перфорированных дисков или движущихся сеток с нанесенным слоем волокнистой массы.

Отстаивание основано на свободном оседании (или всплытии) примесей с меньшей плотностью, чем плотность воды. Процесс отстаивания реализуется в песколовках, отстойниках и жироловках. Для расчета этих очистных устройств необходимо знать скорость свободного осаждения (или всплытия) примесей (м/с), которая рассчитывается;

W₀ = q · d_r² · (P_ч –P_в) /18,

где q – ускорение свободного падения, м²/с;

d_r – средний диаметр частицы, м;

Р_ч и Р_в плотность частиц и воды, кг/м³;

18 – динамическая вязкость воды, Па/с.

Песколовки используют для очистки сточных вод от частиц металлов и песка размером более 0,25 мм. В зависимости от направления движения сточной воды применяют горизонтальные песколовки с прямолинейным и круговым движениями воды, вертикальные и аэрируемые. Длину горизонтальной песколовки определяют по формуле, м,

L = a·h·W / W₀,

где W – скорость движения воды в песколовке (обычно 0,15– 0,25 м/с);

W₀ – скорость свободного осаждения, м/с;

a – коэффициент, учитывающий влияние возможной турбулентности и неравномерности скоростей движения сточной воды в песколовке (а =1,3–1,7);

h – глубина песколовки, м.

Рабочую глубину песколовки h выбирают из условия

h = W₀ ∙ t _пр,

где t _пр – время пребывания воды в песколовке ( 30–100 с).

Ширина песколовки (м) определяется по формуле

В = Q / ( n·h·W²),

где Q – расход сточной воды, м³/с;

n – число секций в песколовке;

W₀ – скорость движения воды, м/с;

h – глубина песколовки, м.

Отстойники используют для очистки сточных вод от механических примесей размером более 0,1 мм, а также от нефтепродуктов. В зависимости от направления движения потока сточной воды применяют горизонтальные, радиальные или комбинированные отстойники. При расчете отстойников определяют, как правило, его длину и высоту. Существуют разные методики расчета длины отстойников. Отстойник обычно разделяется на три зоны различной длины. В первой зоне L₁ (м) имеет место неравномерное распределение скоростей по глубине отстойника, которая рассчитывается

где Н – рабочая высота отстойника, м;

h₀ = 0,25 H – высота движущегося слоя сточной воды в начале отстойника, м;

 = (0,018-0,02) · W_x .

Во второй зоне L₂ основная часть примесей должна осесть (всплыть) в иловую часть (на поверхность) отстойника, поэтому её определяют по формуле

L₂ = (H–h₁)·W_x / (W₀ – 0,5W_x),

где H – рабочая высота отстойника, м;

h₁ – максимально возможная высота подъема частиц в первой зоне, м;

W_x – горизонтальная составляющая скорости движения воды, м/с.

В третьей зоне L₃ (м) скорость потока увеличивается и тем самым условия осаждения частиц значительно ухудшаются, здесь длина отстойника определяется следующим образом:

L₃ =H/ (t∙q∙a),

где а – угол сужения в выходной части отстойника (примерно на 25–30⁰);

q – ускорение свободного падения, м²/с;

t – время падения, с;

H – рабочая высота отстойника, м.

Для расчета общей длины отстойника L=L₁+L₂+L₃ задают расход сточной воды и размеры поперечного сечения.

Очистку сточных вод в поле действия центробежных сил осуществляют в открытых или напорных гидроциклонах. Открытые гидроциклоны используют обычно для осаждения крупных твердых примесей, у которых скорость осаждения более 0,02 м/с. Такие гидроциклоны имеют высокую производительность и малые потери напора, не превышающие 0,5 м. Эффективность очистки сточных вод от твердых частиц в гидроциклонах зависит от состава примесей (материала, размера, формы и т.д.) и конструктивных его особенностей. Существуют открытые гидроциклоны с нижним отводом очищенной воды и гидроциклоны с внутренней цилиндрической перегородкой. Производительность (м³/с) открытого гидроциклона определяется

Q = 0,785∙q∙D²,

где q – удельный расход воды; для гидроциклона с внутренней цилиндрической перегородкой q = 7,15 ∙W₀ (W₀ – скорость свободного осаждения частиц в воде, м/с);

D – диаметр цилиндрической части гидроциклона, м.

Конструктивная схема напорного гидроциклона аналогична циклону для очистки газовых твердых частиц. Производительность напорного гидроциклона определяется

Q= K·D·d ·,

где К – коэффициент, зависящий от условий входа воды в гидроциклон; для гидроциклонов с D =0,125–0,6 м и а = 30⁰ К = 0,524;

Р – перепад давлений воды в гидроциклоне, Па;

Р – плотность очищенной воды, кг/м³.

Для проектирования открытых гидроциклонов рекомендуются следующие его геометрические характеристики: D = 2…10 м; Н=D; d = 0,1D при одном отверстии и d = 0,0707D при двух входных отверстиях; а = 60⁰.

Для очистки больших расходов сточных вод от мелкодисперсных твердых примесей применяют зернистые фильтры. Сточная вода по трубопроводу поступает в корпус фильтра и проходит через фильтрующий материал, состоящий из частиц мраморной крошки, шунгизита и т.д., расположенного между пористыми перегородками (рис. 7.22 и 7.23).

Рис.7. 22. Добыча фильтрующего материала для очистки сточных вод

от взвешенных твердых частиц

Рис. 7.23. Подготовка фильтрата для очистки сточных вод от твердых

взвесей

Очищенная от твердых частиц сточная вода скапливается в объеме, ограниченном пористой перегородкой и выводится из фильтра через трубопровод для продувки. По мере осаждения твердых частиц в фильтровальном материале перепад давлений на фильтре увеличивается и при достижении предельного значения перекрывается входной трубопровод, по данному трубопроводу вместо воды подается под давлением сжатых воздух. Он вытесняет из фильтровального слоя воду и твердые частицы в специальный желоб, которые затем по трубопроводу выводятся из фильтра. Достоинством конструкции такого фильтра является развитая поверхность фильтрования, а также простота конструкции и высокая эффективность очистки.

В настоящее время для очистки сточных вод от маслопродуктов широко используют фильтры с фильтровальным материалом из частиц пенополиуретана. Пенополиуретановые частицы, обладая большой маслопоглощающей способностью, обеспечивают эффективность очистки до 0,97–0,99 при скорости фильтрата до 0,01 м/с. Насадка же из пенополиуретана легко регенерируется при механическом выжимании маслопродуктов. Применяются и другие фильтры, например фильтр-сепаратор, состоящий из частиц пенополиуретана, предназначенного для очистки сточных вод от твердых частиц и маслопродуктов.

Обеззараживание воды является заключительным этапом очистки сточных вод перед сбросом их в водоём. Наиболее распространенным методом считается обработка воды хлором (хлорирование воды). Хлор обладает широким спектром антимикробного действия. Для хлорирования применяют либо газообразный хлор, который подается в обеззараживаемую воду, либо растворимые твердые хлорсодержащие вещества, например гипохлорит натрия. Наибольшее распространение получил способ дезинфекции воды путём хлорирования газообразным хлором Cl₂ или хлорной известью CaCl(OC). Применяют также электролизные установки для получения гипохлорита натрия NaClO из поваренной соли. Возможно обеззараживание и другими бактерицидными веществами. Хотя хлорирование воды – наиболее распространенный способ ее обеззараживания, но оно обладает рядом существенных недостатков.

Хлор – сильно ядовитое вещество и его хранение в больших количествах в газообразном состоянии или в сжиженном виде на станциях подготовки воды опасно для обслуживающего персонала. Более экономичным способом обеззараживания воды является ее озонирование.

Для осуществления озонирования очищенных сточных вод необходимы на станциях водоподготовки озонаторные установки, в которых получают озон путем расцепления молекулы кислорода под действием высоковольтных электрических разрядов (подобно тому, как воздух атмосферы озонируется под действием разрядов молнии). Из-за этого для обеззараживания во избежание образования броматов введены более жесткие технологические режимы озонирования.

Наряду с указанными выше реагентными методами большое распространение получают безреагентные методы обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением. Бактерицидным действием обладает ультрафиолетовое излучение с длиной волны 200–295 нм, которое способствует уничтожению бактерий, вирусов, водорослей и других микроорганизмов, присутствующих в воде. В отличие от хлорирования и озонирования, ультрафиолетовое излучение не обладает побочным вредным эффектом, связанным с возможными изменениями химического состава и появлением токсичных веществ. К безреагетным методам относят также термическую обработку (5–10 минутное кипячение), обработку ионизирующим облучением (рентгеновское облучение), обработку током высокой частоты.

Адсорбционная очистка – это улавливание загрязнений поверхностью твердого материала. Наиболее распространенными адсорбентами являются активированные угли или древесные угли. Адсорбенты не только улавливают вредные примеси, но еще и дехлорируют воду.

Опреснение и обессоливание воды применяют для удаления из воды солей (при опреснении морской воды). Наиболее распространенными методами являются дистилляция, обратный осмос, электродиализ и ионообмен. Дистилляция основана на нагреве воды, её испарения и последующей конденсации паров. В образующемся конденсате практически отсутствуют соли.

Эффективным материалом для очистки поверхностных вод от разлитой нефти является древесная стружка, шелуха пшеницы, подсолнечника, опилки, которыми засыпают нефтяное пятно. Степень очистки при использовании древесной стружки достигает 94 %, древесных опилок – 88 %, шелухи пшеницы и подсолнечника соответственно 82 и 76 % (Н.А. Собгайда [и др.] (2006).

Обратный осмос – противоположный процесс прямому осмосу состоит в следующем. Если разделить закрытый сосуд полупроницаемой пленкой (мембраной) из специального материала на две части, в одной из которых будут находиться растворы солей с различной концентрацией, а в другой менее концентрированный раствор, то начинается процесс выравнивания концентраций, заключающийся в диффузии растворителя через мембрану менее концентрированного раствора в более концентрированный, при этом повышается давление в части сосуда с более концентрированным раствором. Процесс диффузии продолжается до тех пор, пока давление не компенсирует диффузный напор.

Например, при сочетании морской и дисциплинированной воды осмотическое давление может достигать 25·10⁵ Па. Если в части сосуда с более высокой концентрацией соли создать давление, превышающее осмотическое, то начинается процесс диффузии растворителя из концентрированного раствора в чистый (явление обратного осмоса). При этом чистая вода проникает через мембрану, а соли остаются в растворе в концентрированном виде. На этом процессе основана работа аппарата обратного осмоса.

Электродиализом называют процесс переноса ионов через мембрану под действием приложенного к ней электрического поля. Для воды используют электрически активные ионитовые мембраны. Наиболее распространены гетерогенные ионитовые мембраны, представляющие собой тонкие пленки, изготовленные из размельченной в порошок ионообменный смолы. В зависимости от того, из какой смолы сделана мембрана, различают катионитовые и анионитовые мембраны. Первые способны пропускать лишь катионы вредных примесей, а вторые – анионы.

Водоподготовку осуществляют на централизованных станциях, где проводят последовательную очистку воды в аппаратах различного типа в зависимости от состава загрязнения источника водоснабжения. При отсутствии системы централизованного водоснабжения применяют компактные модульные установки, рассчитанные на меньшую производительность, использующие указанные методы очистки.

Обработка осадков, образующихся в процессе очистки сточных вод, проводится в целях снижения их влажности и объёма, обеззараживания и подготовки к утилизации. В первом сооружении на решётках задерживаются грубые крупные отбросы (тряпки, бумага, остатки продуктов и т.д.), которые вывозятся на свалки или после дробления их направляют в специальные сооружения. Песок из песколовок поступает на песковые площадки для обезвоживания, затем либо вывозится для дальнейшего использования, либо используется повторно. Для обработки осадков из отстойников строят самостоятельную группу сооружений: иловые площадки, метантенки, аэробные стабилизаторы, установки для обезвоживания и сушки. В практике наиболее широкое распространение получили матантенки.

Метантенки – это герметически закрытые резервуары, где анаэробные (микроорганизмы, способные к интенсивной деятельности без свободного кислорода воздуха, кислород для своей жизнедеятельности они освобождают из химических соединений) бактерии в термофильных условиях (+30–+43⁰С) «срабатывают» сырой осадок из первичных и вторичных отстойников. В процессе брожения выделяются газы: СН₄ (метан), Н₂ (водород), углекислый газ (СО₂), аммиак (NH₃) и другие, которые могут использоваться для разных целей, в том числе в котельной для производства тепла.

Осадки сточных вод, выгружаемые из метантенков, имеют влажность 97 %, поэтому они неудобны для утилизации. Для уменьшения их объёма применяют способ обезвоживания на иловых площадках или вакуум-фильтрах, центрифугах и других аппаратах и сооружениях. В результате обезвоженный осадок уменьшается в объёме в 7–15 раз и имеет влажность 50–60 %. Аэробная минерализация осадков осуществляется в резервуарах, где органическая часть длительное время расщепляется аэробными микроорганизмами при постоянной продувке тёплым воздухом.

Сжигание осадков применяется в том случае, если они не подлежат другим видам обработки и утилизации. Мировой опыт показывает, что 25% образующихся на очистных сооружениях осадков можно использовать в сельском хозяйстве для производства органических удобрений, около 50% размещаются и хранятся на полигонах и 25% сжигаются. В связи ужесточением санитарных требований к качественному состоянию осадков значительно уменьшается возможность их использования в сельском хозяйстве. Специалисты всё больше обращаются к процессу сжигания осадков, который осуществляется в печи при температуре + 850⁰С (рис. 7.24).

Рис. 7.24. Общий вид работы мусоросжигательного завода

При внедрении установок для сжигания осадков сточных вод решаются следующие эколого-экономические задачи:

– прекращается вывоз необеззараженного осадка на свалочные полигоны, что позволяет сократить площади под ними, это, в свою очередь, уменьшает вырубку лесов для новых площадей складирования осадков и занятия сельскохозяйственных угодий;

– в печах в качестве топлива используются сухие органические осадки сточных вод (природный газ требуется только для розжига печей);

– тепловая энергия, образующаяся при сжигании осадков рекуперуется (возвращается) в котлах-утилизаторах и используется для производственных нужд мусоросжигающих заводов или производства тепла, или электроэнергии;

– для производства оборудования мусоросжигающих заводов задействуются многие промышленные предприятия разных отраслей;

– образующаяся после сжигания зола используется для изготовления строительных материалов (если она подходит по санитарно-гигиеническим нормам) или производства материала для дорожного покрытия и на другие цели.

– годовые эксплуатационные расходы на сжигание осадков сточных вод в 1,9 раза ниже, чем на обработку 10 тыс. м³ осадка на полигонах.