Тема: Способы улучшения качества питьевой воды

1. Научно-методическое обоснование темы

Качество питьевой воды служит основой эпидемиологической безопасности и здоровья населения. Доброкачественная по химическим, микробиологическим, органолептическим и радиологическим свойствам вода является показателем высокого санитарного благополучия и жизненного уровня населения. Учитывая огромное значение качества и количества подаваемой питьевой воды для здоровья населения и условий его проживания, обеспечения нормального функционирования детских, лечебно-профилактических, культурных, спортивных и других учреждений, коммунального хозяйства, промышленных предприятий и других объектов представляется важным внедрение прогрессивных мероприятий в сфере питьевого водоснабжения.

Основная цель методов улучшения качества питьевой воды – защита потребителя от патогенных организмов и примесей, которые могут быть опасны для здоровья человека или иметь неприятные свойства (цвет, запах, вкус и т. д.). Методы очистки следует выбирать с учетом качества и характера источника водоснабжения.

Основные способы улучшения качества воды

Основными способами улучшения качества воды поверхностных водоисточников являются осветление, обесцвечивание, фильтрация и обеззараживание.

Осветление воды – это удаление из нее взвешенных веществ и примесей.

Классификация: а) безреагентные – естественное отстаивание и фильтрация на медленных и быстрых фильтрах; б) реагентные – коагуляция.

Обесцвечивание – устранение окрашенных коллоидов.

С целью осветления и обесцвечивания используются отстойники (горизонтальные, вертикальные) – сооружения, предназначенные для осаждения под силой тяжести крупных по размеру и массе частиц, находящихся в воде во взвешенном состоянии, смесители, камеры реакции, фильтры и т.д.

Коагуляция – укрупнение, агрегация коллоидных и тонко диспергированных примесей воды, происходящая вследствие молекулярного притяжения отрицательно заряженных фрагментов органических соединений к положительно заряженным ионам коагулянтов. К коагулянтам относятся сульфат алюминия – Al2(SO4)3, сульфат железа – Fe2(SО4)3 или хлорид железа – FeCl3, которые при реакции с бикарбонатами воды образуют малорастворимые основания, гидролиз которых и создает положительно заряженные ионы – «ядра» агрегации молекул. Для ускорения процесса коагуляции применяют вещества флоккулянты.

Требования к коагулянтам:

- безвредность для здоровья в применяемых концентрациях;

- способность при диссоциации образовывать гидроокиси;

- должны иметь положительный заряд при диссоциации.

Условия коагуляции:

-правильно подобранное вещество в качестве коагулянта;

- наличие в воде бикарбонатов;

- верно рассчитанная доза по жесткости;

- тщательное перемешивание;

- оптимальное время контакта.

Фильтрация – это следующий после коагуляции и отстаивания процесс для освобождения от взвешенных веществ воды, проходящей через мелкопористый материал (фильтр), на поверхности, в верхнем слое или в толще которого задерживаются взвешенные частицы.

Оценка эффективности осветления, обесцвечивания и фильтрации по СанПиН:

- цветность;

- мутность;

- запах и привкус.

Обеззараживание – освобождение воды от патогенных бактерий и вирусов.

Классификация методов обеззараживания:

а) реагентные (химические) – использование сильных окислителей (хлора, хлорсодержащих веществ, озона), ионов серебра и других веществ;

б) безреагентные (физические) методы – ультрафиолетовое облучение, воздействие ультразвука, вакуума, радиоактивное излучение, термическая обработка.

в) комбинированные – сочетание реагентного и безреагентного методов.

Выбор конкретного метода обеззараживания зависит от качества и количества исходной воды, методов ее предварительной очистки, условий поставки реагентов и других факторов.

Химические методы обеззараживания

Хлорирование – обработка питьевой воды водным раствором хлора с целью ее обеззараживания. Этот метод наиболее широко распространен среди всех методов обеззараживания воды, что связано с относительной дешевизной хлора, несложностью используемого оборудования и надежностью обеззараживающего действия. В целях обеззараживания воды могут применяться газообразный хлор (доставляется в баллонах в жидком состоянии), хлорная известь, гипохлорит кальция, хлорамины, двуокись хлора и другие хлорсодержащие вещества.

Условия хлорирования:

- верно рассчитанная доза по хлорпотребности;

- быстрое перемешивание хлора со всем объемом обеззараживаемой воды;

- оптимальное время контакта хлора с водой, необходимое для проявления бактерицидного действия (не менее 30-60 минут).

Показатель эффективности: содержание свободного остаточного хлора в воде в пределах 0,3-0,5 мг/л.

Виды хлорирования:

1. обычное (нормальное) или хлорированием с учетом хлорпотребности.

Хлорпоглощаемость воды – это количество активного хлора, необходимого для взаимодействия с органическими и неорганическими веществами и микроорганизмами, находящимися в 1 литре воды в течение 30 минут.

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

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

3. Суперхлорирование – хлорирование воды избыточными дозами хлора (5-20 мг/л) при остаточном содержании хлора: до 1-5 мг/л. Применяется при резких колебаниях бактериальной загрязненности воды, в случае особой эпидемической обстановки и при невозможности обеспечить достаточный контакт воды с хлором. После суперхлорирования вода считается непригодной непосредственно для употребления и требует последующего дехлорирования ее химическим веществами (гипосульфит или сернистый газ) или сорбционным методом (активированный уголь) с доведением остаточного хлора до 0,3-0,5 мг/л.

4. Одним из способов обеззараживания воды является – хлорирование с преаммонизацией, при которой в воду последовательно вводят сначала аммиак, а затем хлор. Хлорирование с преаммонизацией 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.

Недостатки метода хлорирования

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: тригалометаны (ТГМ), в том числе хлороформ, бромоформ, дибромхлорметан и другие. Кроме того некоторые из образующихся в воде вредных веществ поступают в организм не только в процессе употребления воды и пищевых продуктов, но и через неповрежденную кожу во время принятия душа, ванны, плавания в бассейне.

Озонирование – обработка воды озоном для уничтожения микроорганизмов и устранения неприятных запахов. Озон обладает высокой окислительной способностью и действует на протоплазму микроорганизмов, уничтожает вирусы. Преимущества и недостатки метода представлены в таблице № 11. Показатель эффективности: остаточный озон в количестве 0,1-0,3 мг/л.

Таблица № 11

Преимущества метода	Недостатки метода
1) обеззараживание в течение нескольких минут	1) озон – взрывоопасный и токсичный реагент
2) эффективнее, чем хлор обеззараживает воду от споровых форм бактерий и вирусов	2) более дорогостоящий способ, чем хлорирование
3) улучшает органолептические свойства воды	3) быстрое (за 20-30 минут) разложение в отработанной воде ограничивает его применение
4) озон, распадаясь, выделяется в атмосферу, не оказывая негативного влияния на здоровье человека	4) после озонирования наблюдается значительный рост микрофлоры из-за реактивации бактерий и вторичного загрязнения 5) даже высокие дозы озона (20 мг/л) и длительная экспозиция (1,5-2 часа) не обеспечивают полное обеззараживание от бактериальных спор.

Обеззараживание воды ионами серебра основано на олигодинамическом действии этого металла. Серебро обладает свойством консервировать воду на длительное время. Вода, обработанная серебром (0,1 мг/л), безопасна в эпидотношении в течение года и более.

Оценка эффективности обеззараживания химическими методами по СанПиН:

- при хлорировании – по остаточному хлору и микробиологическим показателям безопасности питьевой воды в эпидемическом отношении;

- при озонировании – по остаточному озону и микробиологическим показателям безопасности питьевой воды в эпидемическом отношении;

- при серебрении – по микробиологическим показателям безопасности питьевой воды в эпидемическом отношении.

Физические методы обеззараживания

Использование ультрафиолетового облучения

УФ лучи проникают через 25 см слой прозрачной и бесцветной воды. В клетках находящихся в воде микроорганизмов происходят необратимые процессы, вызывающие нарушение молекулярных и межмолекулярных связей. Это приводит к денатурации (разрушению) белков клеток протоплазмы, к повреждению ДНК, РНК, клеточных мембран и 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.

Использование ультразвука

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.

Использование вакуума предусматривает обеззараживание бактерий и вирусов пониженным давлением. При этом полный бактерицидный эффект может быть достигнут за 15-20 мин.

Использование радиоактивного излучения

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.

Воздействие высоких температур применяется в основном для обеззараживания небольшого количества воды. Вегетативные микроорганизмы погибают при нагревании до 80 ºС уже через 20-40 секунд, поэтому в момент закипания вода фактически обеззаражена. А при 3-5 минутном кипячении есть полная гарантия безопасности даже при сильном загрязнении. При кипячении разрушается ботулинический токсин, а при 30-минутном кипячении погибают споры бацилл.

Оценка эффективности обеззараживания физическими методами по СанПиН:

- микробиологические показатели безопасности питьевой воды в эпидемическом отношении.

Специальные способы улучшения качества воды

Дезодорация – удаление посторонних запахов и привкусов. Используемые методы: озонирование, обработка воды перманганатом калия, переки­сью водорода, фторирование через сорбционные фильтры, аэрация.

Дегазация – удаление растворенных неприятно пахнущих газов. Используемые методы: аэрация – разбрызгивание воды на мелкие капли в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе, в резуль­тате чего происходит выделение газов.

Умягчение – полное или частичное удаление из нее катионов кальция и магния. Достигается фильтрованием через ионообменный фильтры, загруженные либо катионитами (обмен катионов), либо анионитами (обмен анионов). Происходит обмен ионов Са²⁺ и Мg²⁺ на ионы Na⁺ и H⁺.

Опреснение (обессоливание) используется для снижения содержания в ней солей до тех величин, при которых воду можно использовать для питья (ниже 1000 мг/л). Используемые методы: дистилляция в опреснителях (вакуумные, многоступенчатые, гелиотермические), использование ионитовых установках, а также электро­химическим способом и методом вымораживания.

Опреснение. Последовательное фильтрование воды сначала через катионит, а затем анионит позволяет освободить воду от всех растворенных в ней солей. Термический метод опреснения – дистилляция, выпаривание с последующей конденсацией. Вымораживание. Электродиализ – опреснение с использованием селективных мембран.

Обезжелезивание – удаление из воды железа про­изводится аэрацией в специальных устройствах – градирнях с последующим отстаиванием, коагулированием, известкованием, катионированием.

Обесфторивание – освобождение воды от избыточного количества фтора. Для удаления из воды избытка фтора применяют чаще всего метод осаждения, основанный на сорбции фтора осадком гидроокиси алюминия.

При недостатке в воде фтора ее фторируют (фторирование).

Дезактивация. Снижение содержания радиоактивных веществ в воде на 70-80 % происходит при коагуляции, отстаивании и фильтровании воды, а также путем разбавления, и фильтрованием воды через ионообменные смолы и дистилляцией.