Глава 11

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ВОДООЧИСТКИ И ВОДОПОДГОТОВКИ

В антропогенном цикле вода, забираемая из природных источников на различные нужды, проходит необходимую очистку или обработ­ку—в зависимости от вида водопользования. При выборе методов очистки решающее значение имеет химический и микробиологический состав природной воды. Особенно высокие требования предъявляются к очистке вод питьевого назначения, от качества которых зависит здоровье населения. С другой стороны, качество поверхностных при­родных вод находится в зависимости от степени очистки сточных вод. Тем самым вопросы водоподготовки и водоочистки находятся в тесной взаимосвязи.

В основе существующих подходов к проблемам водоочистки и водоподготовки лежат общие физико-химические принципы и сходные инженерные методы их реализации. В идеальном варианте степень очистки сточных вод должна быть достаточной не только для их сброса в природный водоем, но и для повторного использования, вплоть до применения для хозяйственно-бытовых нужд.

§ 11.1. Подготовка питьевой воды

В большинстве стран мира в качестве питьевой воды используют воду озер или рек и подземные воды. Как правило, перед подачей этих вод в магистральную сеть их очищают на специальных установ­ках. Цель обработки воды — доведение ее качества до стандарта.

Первым стандартом на качество питьевой воды в Европе был стан­дарт, принятый в СССР в 1937 г. За прошедший с этого времени период подходы к стандартизации качества воды постоянно совер­шенствовались. При этом принимались во внимание технические дос­тижения и экономическая целесообразность, но приоритет отводится соблюдению санитарно-гигиенических норм.

Гигиенические принципы оценки качества питьевой воды, поло­женные в основу отечественного стандарта, аналогичны принципам

351

стандартов других стран. Они учитывают три группы показателей, обеспечивающих: 1) безопасность воды в эпидемическом отношении; 2) безвредность для здоровья человека ее химического состава; 3) благо­приятные органолептические свойства воды.

Во вторую группу стандартных показателей включены регламенты на вещества, присутствие которых в воде обусловлено природными факторами и последствиями реагентной обработки воды на водопро­водных станциях. Нормативы для веществ, присутствие которых в воде обусловлено техногенным влиянием на водоемы, в стандарт не включе­ны. Их присутствие в питьевой воде ограничивается пределами, ука­занными в Санитарных нормах и правилах охраны поверхностных вод от загрязнения.

В настоящее время перечень нормативов химических веществ техногенного происхождения включает более 1300 наименований. Ясно, что контроль всех этих веществ одновременно практически не осуществим. Выбор веществ из перечня для контроля на каждом водо­проводе определяется исходя из конкретной ситуации.

В рекомендациях ВОЗ и национальных стандартах ряда стран имеются нормативы для отдельных компонентов промышленных сточ­ных вод, получивших повсеместное распространение в природных источниках (СПАВ, нефтепродукты, цианиды, хром, кобальт и др.). Уровень этих веществ должен контролироваться в каждом случае выбора источника водоснабжения.

Теоретической основой гигиенического нормирования содержания химических веществ в питьевой воде является принцип пороговости токсического эффекта. При этом важным является вопрос, какую степень биологической реакции организма принимать за пороговую. Считается, что за пороговый уровень воздействия должны быть при­няты физиологические реакции, имеющие приспособительный, адап­тивный характер и свойственные здоровому организму. Их следует отличать от компенсаторных реакций, целью которых является заме­щение нарушенной функции.

Методическая схема гигиенического обоснования предельно допус­тимых концентраций (ПДК) химических веществ в водной среде пред­ложена в 1945 г. проф. С.Н. Черкинским. Схемой предусмотрены экс­периментальные исследования в четырех направлениях: изучение стабильности вещества в водной среде; исследование его влияния на органолептические свойства воды; исследование токсичности вещества при оральном поступлении в организм (токсикологические исследова­ния на теплокровных лабораторных лсивотных); изучение влияния вещества на санитарный режим водного объекта.

По первому направлению исследования обычно проводят в услови-352

ях, ограниченных санитарной практикой. Общепринятой характерис­тикой стабильности вещества в водной среде является время его полу­распада. По этому показателю то или иное вещество может быть отне­сено к нестабильным, умеренно стабильным и стабильным.

Целью исследований по каждому из трех остальных разделов схемы гигиенического нормирования является установление пороговой кон­центрации. В отношении токсического действия необходимо экспери­ментально установить не только пороговую, но и максимальную недей­ствующую (подпороговую) концентрации.

Пороговые концентрации по органолентическому признаку вреднос­ти устанавливаются для запаха, вкуса, окраски, способности к цено­образованию.

Изучение токсических свойств вещества с целью гигиенического нормирования — наиболее сложный и трудоемкий раздел схемы. Он Проводится в несколько этапов, из которых заключительный — хрони­ческий санитарно-токсикологический эксперимент — требует не менее б месяцев наблюдения за экспериментальными животными.

Когда известны все пороговые и подпороговые концентрации, их сравнивают и отмечают наименьшую по величине. Эта концент­рация предлагается в качестве предельно допустимой, а признак, по которому она рекомендована, назван лимитирующим признаком вредности.

11.1.1. Установки очистки питьевой воды

При решении вопроса о водозаборе питьевого назначения важную роль играет выбор места для строительства водонапорной башни или аналогичного по назначению инженерного сооружения. При этом необходимо учитывать возможность подведения и использования элек­троэнергии либо, если уровень водопотребителя ниже уровня резерву­ара с питьевой водозй, использовать для ее транспортировки потенци­альную энергию воды. Так, для снабжения г. Рима или г. Алма-Аты источником водоснабжения (естественной водонапорной башней) слу­жит горное озеро, расположенное выше уровня города.

Схема очистки воды включает этапы:

1. Забор воды (из озера или реки), который может быть осуществ­лен под давлением или самотеком.

2. Транспортировка воды (под давлением или самотеком).

3. Собственно очистка воды на установке.

Существуют различные способы обработки воды для отделения содержащихся в воде примесей (табл. 40).

353

Таблица 40. Процессы, используемые для обработки воды

Эффективность различных способов очистки воды по некоторым показателям приведена в табл. 41.

Таблица 41. Эффективность удаления примесей для различных: процессов

очистки (%)

Комбинируя различные способы обработки, можно добиться любой требуемой чистоты воды, правда, стоимость ее может быть высока. Например, в западных странах стоимость 1 м³ питьевой воды составля­ет 10—60 центов.

С хема типовой установки для очистки питьевой воды представлена на рис. 57. Уста­новка включает лишь наиболее простые методы обработки во­ды. Наряду с кондиционирова­нием качества воды до требу­емого стандарта важное инже­нерное требование к установке — возможность изменения скорос­ти подачи воды в широких пределах, поскольку потреб­ность в воде у населения меня­ется и в течение суток, и от се­зона к сезону.

Питьевая Soda

Первая стадия очистки зак­лючается в разделении мусора и грубых взвесей. С этой целью обычно используются решетки 2. После решетки может быть предусмотрен пескоотстойник либо устанавливаются сито или микросита 8 для удаления мел-кодисерсного песка. Зак*. *о- %/>. Типовая схема ус™„о.к„ питьеной

Да ПОСТупаеТ В СМесИТеЛЬ 5, ГДе l— ввод питьевой воды; 2 — решетка;.? — микросито;

Смешивается С неКОТОПЫМИ ХИ- ⁴ --^дозат°Р^ы химических веществ; J-смеситель; unomwuubiwi v. a. nui jjoinur* л б— флокулятор; 7—отстойник;8 — фильтры; 9—2-й

МИЧесКИМИ ВещеСТВаМИ, Р^Рвуар! Л?-хлораторы; U - 1-й реэерлуар

поступающими из дозатора 4, и

далее в флокулятор 6, где химические реагенты взаимодействуют с содержащимися в воде растворенными и взвешенными веществами. В емкости 7 для осаждения коагулянтов скорость протекания воды должна быть достаточно низка, чтобы успели образоваться хлопья коагулянта и осадок. Полностью хлопья коагулянта осесть не успевают, так что после осаждения воду фильтруют. После фильтра­ции вода собирается в первом резервуаре 11, из которого подается на повторную очистку с последующим поступлением во второй ре­зервуар 9, откуда и поступает в сеть питьевого водоснабжения. Пе­ред поступлением в резервуар 9 с целью дезинфекции воду хлорируют

355

или озонируют, обрабатывают пероксидом водорода или УФ-излу-чением.

Практика эксплуатации системы коммунального водоснабжения показывает, что во многих случаях качество питьевой воды при ее транспортировке по распределительной сети значительно снижается за счет интенсивно протекающих биологических процессов. Это явление .характерно для водопроводов как с поверхностными, так и подзем­ными водоисточниками и наиболее ярко проявляется на протяженных водопроводах, в которых вода находится длительное время.

Биологические процессы развиваются в результате проникновения в систему водоснабжения разнообразной микрофлоры. Среди них — железоокисляющие бактерии, сульфатредуцирующая микрофлора, различные гидробионты, невидимые невооруженным глазом компонен­ты биообрастаний и накопители органического вещества в системе. Кроме того, в воду могут попасть цисты лямблий, колифаги и энтеро-вирусы — возбудители паразитарных и вирусных инфекций, распрост­раняемых водным путем. Биологические процессы оказывают значи­тельное влияние на санитарно-техническое состояние водопроводной сети и на ухудшение качества питьевой воды.

Развитию биологических процессов в питьевой воде способствует антропогенное загрязнение водоисточников и недостаточная степень обеззараживания воды на станциях водоподготовки.

В свою очередь, процесс обеззараживания может вносить новые токсикологические эффекты. Так, среди веществ, идентифицирован­ных при хроматомасс-спектрометрическом анализе экстрагируемых органических веществ в питьевой воде г. Москвы, большое беспокойст­во вызывают хлорорганические соединения, составляющие значитель­ную часть обнаруживаемых веществ. Показано, что присутствие боль­шинства этих соединений в питьевой воде обусловлено ее дезинфекци­ей с помощью хлорирования, а их состав и количество определяются, в частности, временем контакта природной воды с хлором.

Среди хлорсодержащих соединений имеются соединения, обладаю­щие мутагенной и канцерогенной активностью. Так, из 32 городов, обследованных в странах бывшего СССР, в 72% качество питьевой воды не отвечает требованиям ВОЗ по содержанию хлороформа (пре­вышение до 60 раз). Максимальное превышение допустимого содержа­ния тетрахлорэтилена составляло до 4 раз, а тетрахлорида углерода — до 10 раз.

Обследование питьевой воды различных городов по их суммарной мутагенной активности (СМА) выявило значительные колебания этого показателя в разных городах и в различные сезоны года. Как правило, мутагены возникали в процессе водоподготовки и отсутствовали в 356

исходной воде. Встречаются случаи, правда редкие, когда, напротив, обработка воды на станциях водоподготовки приводила к исчезнове­нию мутагенов, присутствовавших в исходной воде. В большинстве случаев СМ А отмечалась в весенне-летний период и практически отсутствовала в осенне-зимний, что указывает на биогенное происхож­дение мутагенной активности. При этом отмечается увеличение СМА, вызванное нарушением режима хлорирования питьевой воды.