Методические материалы для 2 курса
.pdf
Поэтому в настоящее время для осветления и обесцвечивания воды часто применяют химическую обработку коагулянтами, ускоряющую осаждение взвешенных частиц.
Процесс осветления и обесцвечивания воды, как правило, завершают
фильтрованием воды через слой зернистого материала, например через песок или измельченный антрацит. Применяют два вида фильтрования – медленное и скорое.
Естественное отстаивание и медленное фильтрование воды.
Естественное отстаивание воды производят в горизонтальных отстойниках, представляющих собой резервуары глубиной в несколько метров,
через которые вода движется непрерывно с очень малой скоростью. Вода пребывает в отстойнике 4-8 часов. За это время осаждаются преимущественно грубодисперсные взвеси.
После отстаивания воду для окончательного осветления пропускают через медленно действующий фильтр (рисунок).
Рисунок. Схема песочного фильтра: а – слой воды; б – песок; г – дренаж.
Он представляет собой кирпичный или бетонный резервуар, на дне которого устраивают дренаж из железобетонных плиток или дренажных труб с отверстиями. Через дренаж профильтрованная вода отводится из фильтра.
Поверх дренажа загружают поддерживающий слой толщиной 0,7 м щебня,
151
гальки и гравия постепенно уменьшающейся кверху крупности, не дающей вышележащему песку просыпаться в отверстия дренажа. На поддерживающий слой загружают фильтрующий слой толщиной 1 м с диаметром зерен от 0,25 до
0,5 мм. Когда фильтр загружен, через него медленно, со скоростью 0,1-0,3 м/ч,
пропускают очищаемую воду.
Медленно действующие фильтры хорошо очищают воду только после
«созревания». Процесс «созревания» состоит в следующем. В результате задержки находящихся в воде взвешенных примесей в верхнем слое песка размер пор настолько уменьшается, что здесь начинают задерживаться даже самые мелкие частицы, личинки и яйца гельминтов и до 99% бактерий.
Одновременно в «созревшем» верхнем слое песка, называемом биологической пленкой, происходят ряд биологических процессов:
минерализация органических веществ и гибель задержанных бактерий. Раз в
30-60 дней поверхностный слой загрязненного песка снимают.
Медленно действующие фильтры применяют на малых водопроводах,
например для водоснабжения сел, совхозов, где надежность действия при сравнительно простой эксплуатации имеет решающее значение.
Коагулирование, отстаивание и скорое фильтрование воды.
Стремление ускорить осаждение взвешенных частиц, устранить цветность воды и ускорить процесс фильтрования привело к использованию в практике очистки воды коагулирования. Для этого к воде добавляют вещества, называемые коагулянтами: Al2(SO4)3, FeCl3, FeSO4 и др. Реагируя с растворенными в воде электролитами, коагулянты образуют гидроокиси,
выпадающие с образованием быстро оседающих хлопьев. Обладая огромной активной поверхностью и положительным электрическим зарядом, гидроокиси абсорбируют даже мельчайшую отрицательно заряженную взвесь микробов и коллоидные гуминовые вещества, которые увлекаются на дно отстойника
оседающими хлопьями. После осаждения хлопьев в отстойнике и прохождения воды через фильтр, где задерживается их остаток, получается прозрачный и бесцветный фильтрат. Применение коагулирования позволяет обесцветить
152
воду, сократить срок отстаивания воды до 2-3 ч и применить быстро действующие фильтры.
В качестве коагулянта чаще всего применяют сернокислый алюминий. В
воде он вступает в реакцию с двууглекислыми солями кальция, образуя гидроокись алюминия плохо растворимую в воде и выпадающую в виде хлопьев. Коагулянт применяют в дозах от 30 до 200 мг на 1л воды. Доза коагулянта, необходимая для обработки, зависит от цветности, мутности, рН воды и многих других условий, отчего ее подбирают опытным путем. В
последние годы применяют высокомолекулярные вещества – флоккулянты, в
ничтожных дозах облегчающие и ускоряющие коагуляцию. Например,
полиакриламид (ПАА) в дозе 0,5-2 мг на 1 л воды значительно ускоряет коагуляцию и экономит коагулянт. В качестве флоккулянта применяют также активированную кремнекислоту.
Технология коагулирования и дальнейшей обработки воды состоит в следующем. 5% раствор коагулянта посредством специального дозирующего устройства в необходимом количестве подается в смеситель, где происходит быстрое перемешивание его с водой. Отсюда вода поступает в камеру реакции,
где в течение 10-20 мин. завершается процесс хлопьеобразования, и далее в резервуар-отстойник, где оседают хлопья. Размеры отстойника рассчитаны на
2-3-часовое отстаивание воды.
После коагуляции и отстаивания вода подается на скорые фильтры
(рисунок), в которых фильтрующий слой песка с величиной зерен от 0,5 до 1
мм составляет 0,8 м. Скорость фильтрации воды 5-8 м/ч; она автоматически регулируется.
153
Рисунок. Схема обработки воды на скоростных фильтрах:
I– смеситель воды на скорых фильтрах: 1 – смеситель воды с раствором коагулянта; 2 – камера реакции; 3 – горизонтальный отстойник; 4 – скорый песочный фильтр
Вскоре после начала работы в верхнем слое песка образуется фильтрующая пленка, состоящая из не успевших осесть в отстойнике хлопьев коагулянта и приставших к ним частиц. Это улучшает процесс задержки взвешенных примесей и микробов. Спустя 8-12 ч работы пленка уплотняется, скорость фильтрации падает, работу фильтра приостанавливают и для удаления пленки промывают его в течение 10-15 мин. током чистой воды, направляемой снизу вверх.
После коагуляции, отстаивания и фильтрования вода становится прозрачной, обесцвечивается, освобождается от яиц гельминтов и от 70-98%
содержащихся в ней микробов.
В последние годы в практику водоснабжения внедряются различные модификации скорых фильтров (например, двухслойные), а также контактные осветлители. Контактные осветлители выполняют функцию смесителя, камеры реакции и фильтра, делая излишним отстойник. Они эффективны при очистке воды с мутностью, не превышающей 150 мг/л.
Обеззараживание воды
Обеззараживание принадлежит к числу наиболее широко применяемых методов улучшения качества воды. Оно применяется довольно часто при использовании подземных, главным образом грунтовых, вод и во всех случаях использования поверхностных вод. Обеззараживание является обычно заключительным и наиболее важным процессом улучшения качества воды на водопроводе.
Обеззараживание воды может осуществляться химическими и физическими безреагентными методами. При химических методах в воду вносятся обладающие бактерицидным действием реагенты: газообразный хлор,
различные соединения, содержащие так называемый активный хлор, озон, соли
154
серебра и др. К физическим методам относятся кипячение, облучение ультрафиолетовыми лучами, воздействие ультразвуковыми волнами, токами высокой частоты, быстрыми электронами или гамма-лучами и др. В настоящее время наибольшее распространение имеют: на водопроводах – хлорирование,
озонирование, облучение ультрафиолетовыми лучами, а в условиях местного водоснабжения – кипячение.
Хлорирование воды.
Россия была одной из первых стран, в которой хлорирование воды стало применяться на водопроводах (1910). Однако оно применялось лишь при вспышках водных эпидемий. В настоящее время хлорирование воды является одним из наиболее широко распространенных профилактических мероприятий,
сыгравших огромную роль в предупреждении водных эпидемий.
Столь широкое применение хлорирования объясняется надежностью обеззараживания, доступностью осуществления и экономическими преимуществами.
Существуют многочисленные способы хлорирования, например хлорирование обычными и «послепереломными» дозами хлора, хлорирование с аммонизацией, суперхлорирование, хлорирование хлораминовыми таблетками и т. д. Это позволяет применять хлорирование в разных условиях – на крупном водопроводе и для обеззараживания воды в бочке на полевом стане, на небольшом колхозном водопроводе и во фляге с водой.
Принцип хлорирования основан на обработке воды хлором или химическими соединениями, содержащими хлор в активной форме,
обладающей окислительным и бактерицидным действием. Химизм происходящих процессов объясняют следующим образом. При добавлении хлора к воде происходит его гидролиз, т.е. образуются соляная и хлорноватистая кислоты. Во всех гипотезах, пытающихся объяснить механизм
155
бактерицидного действия хлора, хлорноватистой кислоте отводится центральное место.
Хлор, присутствующий в воде в виде хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона, рассматривают как свободный активный хлор, так как исследованиями показано, что при хлорировании воды бактерицидное действие определяется в основном концентрацией хлорноватистой кислоты и несколько менее гипохлорит-ионом.
Небольшие размеры молекулы и электрическая нейтральность позволяют хлорноватистой кислоте быстро пройти через оболочку бактериальной клетки и воздействовать на клеточные ферменты, существенно важные для обмена веществ и процессов размножения клетки. Предполагается, что реакция идет с
SH-группами ферментов, которые окисляются хлорноватистой кислотой и гипохлорит-ионом. При электронной микроскопии кишечной палочки,
подвергшейся воздействию хлора, выявлено повреждение клеточной оболочки,
нарушение ее проницаемости, уменьшение объема клетки.
Надежный обеззараживающий эффект при хлорировании достигается в том случае, если после 30-60 мин. обеззараживания в воде остается 0,3-0,5 мг/л
свободного хлора или 0,8-1,2 мг/л связанного хлора, свидетельствующее о достаточном количестве введенного в воду дезинфицирующего агента. При санитарном контроле воды на водопроводах содержание остаточного хлора в ней определяют каждый час. Не реже одного раза в сутки отбирают пробу воды для бактериологического исследования.
На крупных водопроводах для хлорирования воды применяют газообразный хлор. Хлор поступает в стальных баллонах или цистернах в жидком виде. На водопроводных станциях к баллону присоединяют специальные аппараты – хлораторы, дозирующие поступление хлора в обеззараживаемую воду (рисунок).
Рисунок. Хлоратор, используемый для непрерывного дозирования газообразного хлора в обеззараживаемую воду
На небольших водопроводах, а также в случае необходимости обеззаразить небольшие объемы воды в бочках или других резервуарах вместо хлора пользуются хлорной известью. Бактерицидное действие хлорной извести обязано группе (ОСl), которая в водной среде образует хлорноватистую кислоту. Хлорная известь содержит до 36% активного хлора. При хранении она разлагается. Свет, влажность и высокая температура ускоряют потерю активного хлора. Поэтому хлорную известь хранят в бочках в темном,
прохладном, сухом, хорошо проветриваемом помещении, а перед использованием проверяют ее активность в санитарной лаборатории.
Кроме хлора и хлорной извести, для обеззараживания воды можно применять двутретьосновную соль гипохлорита кальция (ДТСГК), двуокись хлора (СlO2), гипохлорит кальция Са(ОС1)2 и различные хлорамины.
Органическими хлораминами называют производные NН3, у которых один атом водорода замещен на органический радикал, а один или оба других замещены на хлор. К неорганическим хлораминам относятся соединения,
получающиеся в результате взаимодействия хлора с аммиаком или солями аммония. Хлорамины обладают окислительными и бактерицидными свойствами, но более слабыми, чем хлор, хлорная известь или ДТСГК.
Обычное хлорирование (по хлорпотребности).
При этом методе хлорирования большое значение имеет правильный выбор дозы активного хлора, необходимой для надежного обеззараживания воды.
157
При обеззараживании воды лишь 1-2% активного хлора затрачивается на непосредственное бактерицидное действие. Остальной хлор вступает во взаимодействие с легко окисляющимися минеральными и органическими соединениями, находящимися в воде, и поглощается взвешенными веществами.
Все эти формы связывания хлора объединяются в понятие хлорпоглощаемость
воды.
Поскольку природные воды имеют различный состав, то и хлорпоглощаемость у них различна. Если ввести в воду хлор в количестве большем, чем хлорпоглощаемость, на 0,5 мг/л, он делает воду непригодной для питья, придавая ей хлорный привкус и запах. Поэтому при обеззараживании добавляют в воду такое количество хлорсодержащего препарата, чтобы после обработки вода содержала 0,3-0,5 мг/л так называемого остаточного свободного или 0,6-1 мг остаточного хлораминного хлора, который, не ухудшая вкуса воды и не являясь вредным для здоровья, свидетельствует о надежности обеззараживания, поскольку имеется некоторый избыток хлора.
Количество активного хлора в миллиграммах, необходимое для обеззараживания 1 л воды, называют хлорпотребностью.
Хлорпотребность воды определяют путем опытного хлорирования определенных объемов подлежащей обеззараживанию воды разными дозами хлора или хлорной извести. При подборе дозы хлора в полевых условиях ориентировочно можно пользоваться таблицей.
Таблица.
Ориентировочная хлорпотребность воды различного происхождения (из Инструкции по обеззараживанию хозяйственно-питьевой воды хлором при
централизованном и местном водоснабжении)
|
Необходимо для |
Необходимое |
||
|
обеззараживания, |
количество |
||
Вода |
мг/л |
|
1% раствора |
|
активного |
25% |
хлорной |
||
|
||||
|
хлора |
хлорной |
извести, мл |
|
|
|
извести |
на 1 л воды |
|
158
Межпластовая (артезианская); осветленная |
1-1,5 |
4-6 |
0,4-0,6 |
|
и обесцвеченная вода крупных рек и озер |
|
|
|
|
Колодезная прозрачная и бесцветная; |
1,5-2 |
6-8 |
0,6-0,8 |
|
осветленная и обесцвеченная вода малых |
|
|
|
|
рек |
2-3 |
8-12 |
0,8-1,2 |
|
Вода крупных рек и озер |
||||
3-5 |
12-20 |
1,2-2,0 |
||
Мутная и цветная вода из колодцев и прудов |
||||
|
|
|
Кроме правильного выбора дозы хлора, необходимым условием эффективного обеззараживания является хорошее смешение и достаточный контакт хлора с водой. Контакт воды с хлором должен быть летом не менее 30
минут, а зимой не менее 1 часа.
Наличие в воде взвешенных частиц, гуминовых и других органических соединений снижает действие хлора. Поэтому для надежного обеззараживания мутные и цветные воды рекомендуется предварительно осветлять и обесцвечивать.
В тех случаях, когда требуется хлорировать воду, находящуюся в бочке или другом резервуаре, определяют объем последнего и рассчитывают количество хлорной извести, необходимое для обеззараживания. Отвесив нужное количество, его вносят в бутыль или какую-либо другую посуду,
добавляют такое количество воды, чтобы получился приблизительно 1-2°/о
раствор, тщательно перемешивают хлорную известь с водой, дают ей отстояться и осветленный раствор добавляют к дезинфицируемой воде. Воду с раствором хлоркой извести тщательно перемешивают и оставляют на 30-60
минут. После этого, определив наличие остаточного хлора и органолептические качества воды, разрешают пользование ею.
При описанном методе хлорирования по хлорпотребности вода надежно обеззараживается от патогенных бактерий, образующих лишь вегетативные формы (например, возбудители острых кишечных инфекций, туляремии,
лептоспироза) и вирусов. Вода, содержащая цисты дизентерийной амебы,
159
споровые формы сибирской язвы, яйца гельминтов, не обеззараживается этим методом. Кроме обычного хлорирования по хлорпотребности применяют и другие модификации хлорирования: двоиное хлорирование, хлорирование с аммонизацией, перехлорирование и др.
Двойное хлорирование.
На многих речных водопроводах хлор подается в воду первый раз перед отстойниками, а второй – как обычно, после фильтров. Введение хлора перед отстойниками улучшает коагуляцию и обесцвечивание воды, подавляет рост микрофлоры в очистных сооружениях, увеличивает надежность обеззараживания, однако возрастает возможность образования хлорорганических соединений.
Хлорирование с преаммонизацией.
При этом способе хлорирования в обеззараживаемую воду вводят раствор аммиака, а через 0,5-2 мин. – хлор. При этом в воде образуются обладающие бактерицидным действием хлорамины. Эффективность хлорирования с аммонизацией зависит от соотношения NH3 : Cl, причем применяют дозировки этих реагентов в соотношениях 1:3, 1:4, 1:6, 1:8. Для воды каждого источника приходится подбирать наиболее эффективное соотношение.
Метод преаммонизации применяется с целью предупреждения неприятных запахов, возникающих иногда при хлорировании воды,
содержащей фенолы или фенолоподобные вещества. Образующиеся хлорфенолы даже в ничтожных концентрациях придают воде аптечный привкус и запах. Хлорамины же, обладая более слабым окислительным потенциалом, не образуют с фенолами хлорфенолов.
Скорость обеззараживания воды хлораминами меньше скорости обеззараживания хлором, поэтому продолжительность дезинфекции воды при хлорировании с преаммонизацией должна быть не менее 2 ч.
Перехлорирование.
При этом методе к воде добавляют большие дозы хлора, например, 10-20
мг/л, вследствие чего надежный бактерицидный эффект достигается уже при
160