Гигиеническая оценка методов улучшения качества воды

Очистка воды.Цель очистки воды – устранение механических примесей для улучшения её физических и органолептических свойств. Очистка осуществляется механическим (отстаивание), физическим (фильтрование) и химическим (коагуляция) методами.

Коагуляция позволяет удалить взвешенные частицы, не поддающихся удалению с помощью отстаивания и фильтрации. Сущность коагуляции заключается в добавлении к воде химического вещества (коагулянта), с помощью которого происходит укрупнение коллоидных частиц, образование и осаждение хлопьев, адсорбирующих взвешенные частицы, микроорганизмы, яйца гельминтов. Коагулянты (сернокислый алюминий, диоксид алюминия, сернокислые и хлорные соли железа) в воде гидролизуются и вступают в реакцию с бикарбонатами кальция и магния. Образуется коллоидный раствор гидрата окиси алюминия или железа, который в дальнейшем коагулирует с образованием хлопьев. Процесс коагуляции проходит успешно при температуре воды > 5°С и бикарбонатной жесткости ≥ 4-7°. Доза коагулянта, добавляемая к воде на водопроводах составляет от 30 до 200 мг/л. Для ускорения и облегчения хлопьеобразования в практике водоснабжения одновременно применяются высокомолекулярные флоккулянты (полиакриламид, кремниевая кислота, щелочной крахмал, альгинат натрия и др.). Остаточные количества коагулянтов и флокулянтов гигиенически нормируются: для сернокислого алюминия ПДК=0,5 мг/л, полиакриламида ПДК=2 мг/л.

Отстаивание, при котором происходит осветление и частичное обесцвечивание воды, осуществляется в горизонтальных и вертикальных отстойниках. В горизонтальных отстойниках вода движется горизонтально по направлению продольной оси. На частицы взвеси действуют 2 силы: горизонтально F, зависящая от скорости и направления движения воды, и вниз сила тяжести частиц Р. Вектор этих сил обуславливает направление осаждения частиц. Чем длиннее отстойник, тем эффективнее осаждение частиц и осветление воды. В вертикальных отстойниках – резервуарах цилиндрической или прямоугольной формы с конусообразным дном вода подается через трубу снизу и медленно поднимается вверх. При этом силы F и Р разнонаправлены и оседают только те частицы взвеси, у которых F<P, поэтому скорость протекания воды в вертикальном отстойнике должна быть меньше, чем в горизонтальном. Скорость течения воды в горизонтальных отстойниках - 2-4 мм/с, а в вертикальных – < 1 мм/с. Длительность отстаивания воды - 4-8 ч. При этом мельчайшие частицы, в т.ч. значительная часть микроорганизмов, не успевают осесть.

Фильтрация воды, позволяющая удалить взвешенные и коллоидные примеси, проводится на медленных и скорых фильтрах.

В медленных фильтрах воду пропускают через подстилаемый гравием крупнозернистый песок, на поверхности и в глубине которого задерживаются взвешенные частицы, образующие активную «биологическую пленку», состоящую из адсорбированных взвешенных частиц, планктона и бактерий. Пленка имеет поры малого диаметра и сама является эффективным фильтром и средой, где происходит самоочищение воды. Профильтрованная вода отводится через дренаж в нижней части емкости. Достоинства медленных фильтров: равномерная фильтрация, эффективность фильтрации 99% бактерий и простота устройства; недостаток – малая скорость движения воды (10 см/ч). Медленные фильтры используются на сельских водопроводах, где потребность в очищенной воде не велика.

Скорые фильтры значительно увеличивают скорость фильтрации (5 м³/ч), однако загрязнение фильтрующего слоя происходит быстрее, что требует промывки фильтра 2 раза в сутки (в медленных фильтрах 1 раз в 1,5-2 мес.).

Контактный осветлитель, установка для получения технической воды и работающая по схеме: коагуляция – фильтрация, представляет собой бетонный резервуар, заполненный гравием и песком на высоту 2,3-2,6м. Вода подается через систему труб в нижнюю часть осветлителя, а коагулянт вводится непосредственно в трубопровод перед поступлением воды в осветлитель. Коагуляция происходит в нижних частях осветлителя, а в верхних – задерживаются хлопья коагулянта и другие взвешенные вещества.

Обеззараживание воды. Обеззараживание воды направлено на уничтожение патогенной микрофлоры и болезнетворных вирусов реагентными и безреагентными методами, что является последним, завершающим этапом обработки воды, обеспечивающим ее эпидемическую безопасность.

Реагентные методы

Хлорирование - наиболее доступный и дешевый метод обеззараживания воды. Хлорирующие агенты делят на 2 класса – это образующие анион Cl^- (газообразный хлор, хлорамин, хлорамин[4] Б и Т, дихлорамины Б и Т) и анион ClO^- - «активный хлор» (гипохлорит кальция Ca(OCl)₂ или натрия NaOCl, хлорная известь – смесь гипохлорита, хлорида и гидроокиси кальция и воды). Механизм действия хлора основан на его гидролизе с образованием хлористоводородной и хлорноватистой кислот, которая дает «активный хлор»:

Cl₂ + H₂O → HCl + HOCl; HOCl → H⁺ + OCl^-.

Бактерицидный эффект активного хлора связывают с его окислительным действием на клеточные ферменты, входящие в состав бактериальной клетки, и прежде всего на SH- группы клеточной оболочки бактерий, регулирующие процессы дыхания и размножения.

Метод нормального хлорирования по хлорпотребности воды применяют на крупных водопроводах при централизованном водоснабжении. Хлорпоглощаемость воды – это то количество «активного хлора» (обычно 1-3 мг/л), которое взаимодействует с органическими веществами, некоторыми солями и расходуется на окисление и обеззараживание микроорганизмов при заданном времени контакта (30 мин в теплый и жаркий период года, 60 мин. – в холодный). Хлорпотребность воды – это суммарное количество «активного хлора», необходимое для эффективного обеззараживания воды, определяемого ее хлорпоглощаемостью, и наличием остаточного количества активного хлора (0,3-0,5 мг/л) в воде, не изменяющего органолептических свойств воды (вкус и запах) и предотвращающего вторичное загрязнение воды в водопроводной сети.

Хлорирование с преаммонизацией применяется для обеззараживания воды, загрязненной промышленными сточными водами с содержанием фенола и фенолсодержащих органических соединений. При этом способе вода вначале обрабатывается раствором аммиака, а через 0,5-2 минуты хлорируется, в результате чего происходит образование хлораминов, не обладающих неприятными запахами. Остаточное количество активного хлора в воде после обеззараживания ее хлораминами составляет 0,8-1,2 мг/л.

Перехлорирование - обеззараживание воды повышенными дозами хлора применяется в полевых условиях при невозможности определения хлорпоглощаемости воды, для загрязненных вод шахтных колодцев, открытых водоемов, с профилактической целью по окончании чистки, ремонта или строительства колодца, неблагоприятном санитарно-топографическом состоянии территории вокруг водоисточника и при неблагоприятной эпидемической обстановке в районе. Дозы активного хлора для перехлорирования: для сравнительно чистой воды - 5-10 мг/л, более загрязненных вод с высокой цветностью и низкой прозрачностью - 10-20 мг/л, при сильном загрязнении воды и неудовлетворительной санитарно-эпидемиологической обстановке - 20-30 мг/л и выше. Избыток остаточного хлора удаляют добавлением 0,01 н. раствора гипосульфита или фильтрацией воды через активированный уголь.

Недостатки хлорирования воды: возможное ухудшение органолептических свойств воды, образование токсичных веществ (хлорорганических соединений, диоксинов, хлорфенолов), продолжительное время реакции. При хлорировании споры сибирской язвы, возбудители туберкулеза, яйца и личинки гельминтов, цисты амебы и риккетсии Бернета остаются жизнеспособными.

Озонирование– обеззараживание воды озоном (0,5-0,6 мг/л), обладающим выраженным бактерицидным действием, уничтожающим не только бактерии, но и вирусы. Озонирование производится непосредственно на месте газоразрядным способом и требует дешевой электроэнергии, поскольку озоновоздушную смесь получают в озонаторах при помощи энергоемкого процесса – «тихого» электрического разряда. Его действие мало зависит от физико-химических свойств воды. Озон не образует в воде токсичных соединений, улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает надежное обеззараживание воды при времени контакта до 10 мин. Показателем эффективности озонирования является остаточный озон в воде (0,1-0,3 мг/л).

Серебрение воды - обеззараживание воды ионами коллоидного раствора серебра путем инактивации ферментов протоплазмы бактериальных клеток, что нарушает мембранные процессы и вызывает гибель микроорганизмов. Серебрение воды может осуществляться разными способами: фильтрацией воды через обработанный солями серебра песок или электролизом воды с серебряным анодом в течение 2-х часов, что ведет к переходу катионов серебра в воду. При концентрациях до 100 мкг/л ионы серебра оказывают бактериостатическое действие, ниже 50 мкг/л - размножение микроорганизмов возобновляется, свыше 150 мкг/л вызывает бактерицидный эффект (уничтожение бактерий). Преимуществом метода является долгое хранение посеребренной воды. Метод не используется для воды с большим содержанием взвешенных органических веществ и ионов хлора и применим для обеззараживания небольших количеств воды. Однако серебро – это тяжелый металл, не являющийся жизненно важным элементом для организма.

Другие реагентные методы обеззараживания воды (перекисью водорода, соединениями йода и марганца) используются для дезинфекции небольших запасов воды в полевых условиях и экстремальных ситуациях.

Безреагентные методы (кипячение, обработка коротковолновым ультрафиолетовым излучением, ультразвуком, электрическим током высокой частоты, гамма-излучением и пр.).

Коротковолновое ультрафиолетовое излучение (254 нм) вызывает быструю гибель вирусов, вегетативных форм, спор микроорганизмов, в том числе, устойчивых к хлору. Обеззараживание воды наступает в течение 1-2 мин. Однако методы обработки питьевой воды ультрафиолетовым излучением,применяемые в России, при плотности ультрафиолетового потока 16-20 мДж/см.кв. не достаточно эффективны.

Одновременное воздействие на воду ультразвука и ультрафиолета основано на непрерывной обработке воды ультрафиолетовым излучением с плотностью потока ≥ 40 мДж/см² и длиной волны 253,7 нм и 185 нм с одновременным ультразвуковым воздействием плотностью около 2 вт/см² и акустическими колебаниями. Обеззараживающий эффект наступает в результате схлопывания короткоживущих парогазовых «каверн», образующихся вокруг неоднородностей (спор грибков и бактерии). При этом за счет резкого изменения давления и температуры в воде полностью уничтожается патогенная микрофлора, образуются активные радикалы и пероксид водорода. В воде также возникает процесс объемной дегазации за счет образования многочисленных микроскопических воздушных пузырьков.

Кипячение воды в течение 30 мин. вызывает не только гибель вегетативных форм, которая наступает уже при 80⁰С в течение 30 сек., но и спор микроорганизмов и применяется при местном водоснабжении или в быту.

Другие физические методы обеззараживания питьевой воды имеют ограниченное применение, обусловленное специфическими задачами.