Гигиеническая характеристика методов улучшения качества воды

Методов улучшения качества воды много, и они позволяют освободить воду от опасных микроорганизмов, взвешенных частиц, гуминовых соединений, придающих воде цвет, от избытка солей (кальция, магния, железа, марганца, фтора и др.), дурнопахнущих газов, токсических и радиоактивных веществ.

Применение различных методов улучшения качества воды позволяет в максимальной мере использовать водные ресурсы местности и обеспечить население доброкачественной водой. Очистные сооружения выполняют одну из наиболее сложных и ответственных задач: обработку воды природных источников для придания ей качеств, отвечающих гигиеническим нормативам.

К числу наиболее часто применяемых методов улучшения качества воды на водопроводах относятся: осветление - устранение мутности воды, обесцвечивание - устранение цветности воды, обеззараживание - освобождение воды от патогенных микробов и вирусов.

Осветление и обесцвечивание воды

Осветление и частичное обесцвечивание воды достигаются путем длительного отстоя. Отстаивание основано на том, что в стоячей или медленно текущей воде взвешенные вещества, имеющие больший удельный вес, чем вода, выпадают и осаждаются на дно. Отстаивание осуществляется как в самих источниках водоснабжения, так и в водохранилищах. Но естественный отстой протекает медленно, и эффективность обесцвечивания при нем невелика. 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 (рис. 25). Вода пребывает в отстойнике в течение 4-8 часов. За это время осаждаются преимущественно грубодисперсные взвеси.

Рис. 25. Схема горизонтального отстойника: 1 - поступление воды; 2 - отстойник; 3 - выпуск воды из отстойника; 4 - осадок

После отстаивания воду для окончательного осветления пропускают через медленно действующий фильтр (рис. 26). 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, 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 до 0,3 м/час, пропускают очищаемую воду.

Рис. 26. Схема песочного фильтра: 1 - подача отстоенной воды; 2 - песок; 3 - поддерживающий слой; 4 - фильтрованная вода; 5 - дренаж

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, происходит ряд биологических процессов: минерализация органических веществ и гибель задержанных бактерий. Раз в 30-60 дней поверхностный слой загрязненного песка снимают.

Медленно действующие фильтры находят применение на малых водопроводах, например для водоснабжения сел, РТС, совхозов, где надежность действия при сравнительно простой эксплуатации имеет решающее значение. В городских водопроводах медленные фильтры в настоящее время не строят, так как из-за малой скорости фильтрации они требуют очень больших сооружений. Кроме того, при этой обработке цветность воды снижается незначительно.

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 остаток их, получается прозрачный и бесцветный фильтрат. Применение коагулирования позволяет обесцветить воду, сократить срок отстаивания воды до 2-3 часов и применить быстро действующие фильтры.

В качестве коагулянта чаще всего применяют сернокислый алюминий Al₂(SO₄)₃•18 H₂O. В воде он вступает в реакцию с двууглекислыми солями кальция: Al₂(SO₄)₃+3Ca(HCO₃)₂=2Al(OH)₃+3CaSO₄+6CO₂. Гидроокись алюминия Al(OH)₃ плохо растворима в воде и выпадает в виде хлопьев. Коагулянт применяют в дозах от 30 до 200 мг на 1 л воды. Доза коагулянта, необходимая для обработки, зависит от цветности, мутности, pH 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 0,5-1 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 минут 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 (рис. 27), в которых фильтрующий слой песка с величиной зерен от 0,5 до 1 мм составляет 0,8 м. Скорость фильтрации воды 5-8 м/час; она автоматически регулируется.

Рис. 27. Схема обработки воды на скорых фильтрах: 1 - смеситель; 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 часов работы пленка уплотняется, скорость фильтрации падает, работу фильтра приостанавливают и для удаления пленки промывают его в течение 10-15 минут 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 настоящее время широко внедряется в практику модификация скорых фильтров. Это так называемые двухслойные фильтры большой грязеемкости. В них фильтрующая масса состоит из двух слоев: нижнего - кварцевый песок с диаметром частиц от 0,5 до 1 мм, высотой 40-50 см, и верхнего - дробленый антрацит с диаметром частиц 1-1,2 мм и высотой слоя 30-40 см. Вода последовательно фильтруется через слой антрацита, а затем песка. Эта модификация позволяет увеличить скорость фильтрации воды до 9-12 м³/час, а так как зерна антрацита, а следовательно, и поры между ними крупнее, чем зерна песка, то увеличивается грязеемкость фильтра, т. е. удлиняется время работы фильтра между промывками. Поскольку удельный вес антрацита меньше удельного веса песка, то при промывке фильтра обратным током воды песок и антрацит не перемешиваются между собой. Переоборудование обычных скорых фильтров в двухслойные на Киевском днепровском водопроводе позволило увеличить производительность сооружений больше чем на 40%. По предложению Академии коммунального хозяйства применяют еще один новый тип очистных сооружений - так называемый контактный осветлитель (рис. 28). Он представляет собой бетонный резервуар, заполненный на высоту 2,3-2,6 м зернистым материалом - гравием и песком с крупностью зерен, постепенно уменьшающейся снизу вверх. Вода подается через систему распределительных трубопроводов в нижнюю часть осветлителя. Раствор коагулянта вводится в подающий трубопровод непосредственно перед входом его в осветлитель. В нижних крупнозернистых слоях фильтра быстро завершается коагуляция воды, в верхних происходит задержка хлопьев коагулянта и других взвешенных частиц.

Рис. 28. Схема устройства контактного осветлителя

Таким образом, одно сооружение заменяет собой смеситель, камеру реакции, отстойник и фильтр, что упрощает устройство и эксплуатацию очистных сооружений. Опыт применения контактных осветлителей показал, что они эффективны для очистки вод с мутностью, не превышающей 100-150 мг/л взвешенных веществ.

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 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 явилась одной из первых стран, в которой хлорирование воды стало применяться на водопроводах (1910).

В первое время хлорирование применялось на водопроводах лишь при вспышках водных эпидемий. В послеоктябрьский период хлорирование было введено в СССР как постоянно проводимое мероприятие на всех водопроводах, берущих воду из открытых водоемов. Кроме того, хлорирование осуществляется на ряде водопроводов с ненадежными в эпидемиологическом отношении подземными источниками. В настоящее время хлорирование воды является одним из наиболее широко распространенных профилактических мероприятий, сыгравшим огромную роль в предупреждении водных эпидемий.

Столь широкое применение хлорирования объясняется надежностью обеззараживания, доступностью осуществления и дешевизной.

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 гидролиз его: Cl₂+HOH⇔HOCl+HCl, т. е. образуются соляная и хлорноватистая кислоты. Во всех гипотезах, пытающихся объяснить механизм бактерицидного действия хлора, хлорноватистой кислоте отводится центральное место.

Ранее полагали, что хлорноватистая кислота разлагается в воде с выделением атомарного кислорода (по уравнению HOCl⇔HCl+O), который выполняет роль основного бактерицидного агента. В настоящее время это объяснение признано недостаточным. Оказалось, что в природных водах хлорноватистая кислота, при pH более 6,0, диссоциирует на ионы H^- и OCl⁺ (гипохлорит-ион) по уравнению HOCl⇔H^-+OCl⁺. При pH=7,2-7,5 в воде находится примерно одинаковое количество хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона, а с повышением величины pH равновесие сдвигается вправо. Хлор, присутствующий в воде в виде хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона, рассматривают как свободный активный хлор, так как новейшими 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. Высказанная гипотеза в значительной мере подтверждена экспериментально.

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.

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 (OCl), которая в водной среде образует хлорноватистую кислоту

Хлорная известь содержит до 36% активного хлора. При хранении она распадается. 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. В среднем для расчетов принимают содержание активного хлора в хлорной извести равным 25%. Кроме хлора и хлорной извести, для обеззараживания воды можно применять двуокись хлора (ClO₂), гипохлорит кальция Ca(OCl)₂ и различные хлорамины. Органическими хлораминами называют производные NH₃, у которых один атом водорода замещен на органический радикал, а один или оба других замещены на хлор (RNHCl или RNCl₂). 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 или хлорная известь.

Выбор дозы хлора. При обычном хлорировании большое значение имеет правильный выбор дозы активного хлора, необходимой для надежного обеззараживания воды.

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 хлорпотлощаемость 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 табл. 6.

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% раствор, тщательно перемешивают хлорную известь с водой, дают ей отстояться и осветленный раствор добавляют к дезинфицируемой воде. Воду с раствором хлорной извести тщательно перемешивают и оставляют на 30-60 минут. После этого, определив наличие остаточного хлора и органолептические качества воды, разрешают пользование ею.

В водопроводах, в которых дезинфицируемая вода подается непрерывным потоком, необходимо также добавлять к ней соответствующее количество раствора хлорной извести. На рис. 29 показана часто применяющаяся на небольших водопроводах установка для растворения и дозирования хлорной извести. В затворном баке I хлорная известь смешивается с небольшим количеством воды. Отсюда концентрированная взвесь хлорной извести поступает в бак II, где готовится раствор хлорной извести желаемой концентрации, например 2-3%. Отсюда отстоявшийся осветленный раствор поступает в рабочий бак III, откуда течет в дозатор IV с шаровым клапаном. Благодаря последнему в дозаторе все время поддерживается постоянный уровень хлорного раствора, что обеспечивает равномерное истечение жидкости из бачка. С помощью крана, мерного цилиндра и часов устанавливают необходимый расход раствора.

Рис. 29. Схема установки для растворения и дозирования хлорной извести: I - бак для растворения сухой хлорной извести; II - бак для приготовления рабочего раствора и для отстаивания его; III - бак для отстоявшегося раствора; IV - дозирующий бачок с шаровым клапаном, поддерживающим постоянный уровень

При описанном методе хлорирования воды малыми дозами хлора - по хлорпотребности - вода надежно обеззараживается от возбудителей кишечных инфекций (бактерий брюшного тифа, паратифов, дизентерии, холеры, сальмонелл, патогенных штаммов кишечной палочки), туляремии, бруцеллеза, лептоспирозов. В отношении вируса полиомиелита экспериментальные данные разноречивы, но значительное число исследователей склоняется к тому, что хлорирование воды в течение часа инактивирует вирус. Вода, содержащая вирусы инфекционного гепатита, риккетсии Бернета, цисты амебы, вызывающей дизентерию, споровые формы сибирской язвы и яйца гельминтов, не может быть обеззаражена при хлорировании по этому методу.

Кроме обычного хлорирования воды по хлорпотребности, применяют и другие способы хлорирования.

Хлорирование воды "послепереломными" дозами хлора. Обычно с увеличением количества вводимого в воду хлора возрастает содержание в ней остаточного хлора, определяемое после 30-минутного хлорирования (рис. 30, I). Однако картина изменяется при наличии в исследуемой воде значительных количеств аммиака (и некоторых других азотсодержащих соединений), который является составной частью природной воды или искусственно вводится в нее при хлорировании с аммонизацией. При этом, как видно из кривой II на рис. 30, с увеличением дозы хлора количество остаточного хлора сначала возрастает до максимума (а), а потом падает до минимума (б), затем снова возрастает (точка перелома), как обычно (с). Максимум "а" на кривой остаточного хлора отвечает образованию в воде монохлораминов в результате взаимодействия хлора с аммиаком

NH₃+Cl₂→NH₂Cl+HCl

Присутствие монохлораминов в воде определяется тем же йодометрическим методом, что и наличие активного хлора, хотя хлорамины обладают более слабым окислительным и бактерицидным действием.

При добавлении к воде дозы хлора большей, чем необходимо для образования монохлораминов, в воде образуются дихлорамины и трихлорамины. Последние малоустойчивы: вслед за образованием они начинают распадаться на элементарный азот, улетучивающийся из воды в воздух, двуокись азота и соляную кислоту

4NH₂Cl+3Cl₂+H₂O→N₂+N₂O+10HCl

Вследствие этого количество остаточного хлора в воде уменьшается - кривая II резко падает, достигая минимума в точке "б". При добавлении к воде ДОЗ хлора, больших, чем требуется для разрушения хлораминов, количество остаточного хлора начинает возрастать, чему соответствует отрезок "с" на кривой II. Кривая показывает, что воду можно обеззараживать двумя дозами хлора: 1 мг/л (допереломная доза) и 5,2 мг/л (послепереломная доза), так как в обоих случаях содержание остаточного хлора в воде составляет около 0,5 мг/л. Однако при хлорировании допереломной дозой определяемый в воде остаточный хлор находится в виде хлорамина, а при хлорировании после переломными дозами - в виде свободного хлора. Поэтому при хлорировании воды послепереломными дозами хлора сильнее бактерицидный эффект и улучшаются органолептические свойства воды из-за окисления органических дурнопахнущих соединений. Этот метод хлорирования все чаще используется в практике водоснабжения.

Рис. 30. График зависимости концентрации остаточного хлора от дозы введенного хлора в воде, не содержащей (I) и содержащей (II) соли аммония

Хлорирование с преаммонизацией. При этом способе хлорирования в обеззараживаемую воду вводят раствор аммиака, а через 1/2-2 минуты - хлор. При этом в воде образуются обладающие бактерицидным действием хлорамины, NH₂Cl - монохлорамин и NHCl₂ - дихлорамин, из которых монохлорамин обладает несколько более выраженным бактерицидным действием. 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 часов.

Если в воде источника, используемого для снабжения водопровода, имеются аммонийные соли, то в этом случае и при обычном хлорировании воды также происходит образование хлораминов и обеззараживание воды замедляется. Поэтому в последнее время вполне обоснованно высказывается мнение, что при определении остаточного хлора в воде как показателя надежности дезинфекции при обычном хлорировании необходимо раздельно определять свободный остаточный хлор и хлораминный. Естественно, что лишь наличие свободного остаточного хлора свидетельствует о надежном обеззараживании воды при экспозиции 30 минут.

Перехлорирование. При этом методе к воде добавляют большие дозы хлора, например, 10-20 мг/л, вследствие чего надежный бактерицидный эффект достигается уже при 15-минутной экспозиции. При перехлорировании в течение 30-60 минут достаточно надежно обеззараживаются даже мутные воды. От воздействия больших доз хлора погибают столь стойкие к хлору возбудители, как риккетсии Бернета, цисты дизентерийной амебы, туберкулезные бактерии и вирусы. Однако и при этих дозах хлора не может быть достигнуто надежное обеззараживание воды от спор сибирской язвы и яиц гельминтов. После обеззараживания перехлорированием в воде остается большой избыток хлора. Процесс освобождения воды от него носит название дехлорирования. Воду дехлорируют фильтрованием через слой активированного угля или путем добавления к ней гипосульфита натрия (Na₂S₂O₃•5H₂O) в количестве 3,5 мг на 1 мг остаточного хлора. Перехлорирование воды применяется преимущественно в экспедициях и военных условиях.

Озонирование воды. Озон в воде разлагается с образованием атомарного кислорода: O₃⇔O₂+O. В последнее время показано, что механизм распада озона в воде сложнее - протекает ряд промежуточных реакций с образованием свободных радикалов (например, HO₂), также обладающих окислительными свойствами. Более сильное окислительное и бактерицидное действие озона, чем хлора, объясняют тем, что его окислительный потенциал (+1,9 в) больше окислительного потенциала хлора (+1,36 в). Озонирование с гигиенической точки зрения является одним из лучших методов обеззараживания воды. При озонировании вода обеззараживается надежно, разрушаются органические примеси, а органолептические свойства ее не только не ухудшаются, как при хлорировании и кипячении, а даже улучшаются: уменьшается цветность воды, устраняются посторонние привкусы и запахи. Вода приобретает приятный голубоватый оттенок, и население приравнивает ее к ключевой. Избыток озона быстро распадается с образованием кислорода, и после обеззараживания озонированием в воде отсутствуют какие-либо посторонние вещества.

Доза озона, необходимая для обезараживания, для большинства вод от 0,5 до 6 мг/л; для обесцвечивания и улучшения органолептических свойств воды могут требоваться и большие дозы. Продолжительность обеззараживания воды с помощью озона 3-5 минут.

Незначительное по сравнению с хлорированием применение озонирования на водопроводах объясняется относительно большим расходом электроэнергии на получение озона. Поэтому озонирование применяется в настоящее время в тех случаях, когда имеются противопоказания к хлорированию воды, необходимость устранения посторонних запахов и привкусов, и там, где имеются дешевые источники электроэнергии. В СССР действующие очистные станции с озонированием воды имеются в Донбассе и других местах. Совершенствование аппаратуры для получения озона (озонаторов) и удешевление электроэнергии открывают в настоящее время широкие перспективы для применения озонирования на водопроводах.

Обеззараживание воды ионами серебра. Бактерицидное действие ионов серебра объясняется тем, что они, взаимодействуя с протоплазмой микроорганизмов, даже в ничтожных концентрациях угнетают ферменты.

Обогащение воды ионами серебра может осуществляться несколькими способами: непосредственным растворением солей серебра в воде, путем пропускания воды через фильтр, загруженный посеребренным песком, и электролитическим методом. Последний метод наиболее эффективен. Он основан на дозированном поступлении в воду ионов серебра с серебряного анода путем регулирования силы тока.

Для обеззараживания прозрачных бесцветных вод, не содержащих больших количеств хлоридов, требуется от 0,1 до 1 мг серебра на 1 л воды. Продолжительность дезинфекции около 2 часов. Применение серебра в водопроводной практике ограничивается тем, что воды, содержащие много взвеси органических веществ и хлоридов, обеззараживаются этим методом ненадежно.

С другой стороны, достоинством серебра является то, что этот бактерицидный агент долго сохраняется в воде и предохраняет ее от вторичного заражения. Поэтому обеззараживание воды серебром находит применение в тех случаях, когда необходимо длительно хранить запасы воды, например на судах морского флота или в маловодных местностях. При длительном употреблении обработанной этим способом воды содержание серебра в ней не должно превышать 0,05 мг/л.

Облучение воды ультрафиолетовыми лучами. Еще в конце прошлого столетия А. Н. Маклаковым было установлено, что короткие ультрафиолетовые лучи обладают бактерицидным действием. Максимально эффективными оказались лучи с длиной волны 250-260 нм, проникающие даже через 25-сантиметровый слой прозрачной и бесцветной воды.

Обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами происходит весьма быстро: при 1-2 минутах облучения погибают вегетативные формы патогенных микроорганизмов. Мутность, а особенно цветность и соли железа, уменьшая проницаемость воды для бактерицидных лучей, замедляют обеззараживание.

Таким образом, необходимой предпосылкой для надежного обеззараживания - воды ультрафиолетовыми лучами является ее предварительное осветление и обесцвечивание.

Облучение ультрафиолетовыми лучами имеет ряд преимуществ перед хлорированием. Бактерицидные лучи не денатурируют воду и не изменяют ее органолептических свойств, а также обладают более широким спектром абиотического действия. Их губительное действие распространяется на споры, вирусы и яйца гельминтов, устойчивые к хлору.

В СССР изготавливаются аргоно-ртутные лампы с высоким выходом бактерицидных лучей, позволяющие значительно снизить расход электроэнергии для получения ультрафиолетовой радиации. Они использованы на установках по обеззараживанию воды с производительностью до 1000 м³/час, которые ныне работают на водопроводах ряда небольших городов (рис. 31). На рис. 32 показана установка для обеззараживания небольших количеств воды. Она представляет собой лоток, через который с определенной скоростью протекает вода, облучаемая сверху ультрафиолетовыми лучами.

Рис. 31. Установка Академии коммунального хозяйства для обеззараживания воды ультрафиолетовыми лучами (вода проходит последовательно ряд секций, в каждой из которых облучается бактерицидными ультрафиолетовыми лучами)

Кипячение воды. Кипячение является простым и в то же время наиболее надежным методом обеззараживания воды.

Рис. 32. Схема установки лоткового типа для облучения воды ультрафиолетовыми лучами: А - поперечный разрез; Б - продольный разрез; 1 - подача воды; 2 - лоток; 3 - бактерицидная лампа; 4 - алюминиевый рефлектор; 5 - выпуск обеззараженной воды

Вегетативные формы патогенных микроорганизмов погибают после 20-40-секундного нагревания при температуре 80°, и поэтому в момент закипания вода уже фактически обеззаражена, а при 3-5-минутном кипении имеется полная гарантия ее безопасности даже при сильном загрязнении взвешенными веществами и микробами.

При 30-минутном кипячении погибает подавляющее большинство споровых форм микробов, т. е. достигается стерилизация воды. В то время как хлорирование неэффективно действует на споры сибирской язвы, яйца и личинки гельминтов, кипячение убивает их. При 30-минутном кипячении разрушается ботулинический токсин.

К факторам, препятствующим и ограничивающим возможность широкого применения кипячения как метода обеззараживания воды, относятся: невозможность применения кипячения для обеззараживания больших количеств воды на водопроводах, ухудшение вкуса воды из-за улетучивания газов, необходимость охлаждения воды и быстрое развитие микроорганизмов в кипяченой воде в случае ее вторичного загрязнения.

При пользовании водой, не прошедшей централизованного обеззараживания, кипячение часто применяется в быту, в больницах, школах, детских учреждениях, на производствах, железнодорожных станциях и т. д. Для этой цели широкое применение получили кипятильники непрерывного действия с производительностью от 100 до 1000 л/час (рис. 33). Действие последних основано на перебрасывании кипящей воды из котла в бак, служащий для ее разбора.

Рис. 33. Кипятильник непрерывного действия: А - топка; Б - котел для кипячения; В - резервуар, в который переливается кипящая вода; Г - кран для разбора кипятка; Д - питающий цилиндр, который автоматически подает водопроводную воду в котел Б

При использовании кипяченой воды для целей питьевого водоснабжения нужно уделять особое внимание тщательному мытью бачков для кипяченой воды перед их заполнением, а также ежедневной сменяемости воды, учитывая быстрое развитие микроорганизмов в кипяченой воде.

Дезодорация, обезжелезивание, опреснение, умягчение, обесфторивание и фторирование воды

Дезодорация - устранение привкусов и запахов воды - достигается аэрированием воды, обработкой ее окислителями (озонирование, двуокись хлора, большие дозы хлора, марганцовокислый калий), фильтрованием через слой активированного угля, адсорбирующего дурнопахнущие вещества, и углеванием, т. е. путем введения в воду до отстаивания порошкообразного активированного угля. Выбор метода дезодорации зависит от происхождения привкусов и запахов.

Обезжелезивание производится путем разбрызгивания воды с целью аэрации в специальных устройствах-градирнях. При этом двухвалентное железо окисляется в гидрат окиси железа, осаждающийся в отстойнике или задерживаемый на фильтре.

Умягчение. Старым способом умягчения воды является содово-известковый, при котором кальций и магний осаждаются в отстойнике в виде нерастворимых солей (CaCO₃, MgCO₃ и др.).

Более современным является фильтрование умягчаемой воды через фильтры, заполненные ионитами. Ионитами называют твердые нерастворимые, зернистые, наподобие песка, материалы, обладающие свойством обменивать содержащиеся в них ионы на ионы солей, растворенных в воде. Иониты, обменивающие свои катионы (H⁺, Na⁺), называются катионитами, обменивающие анионы (OH^-), - анионитами.

Иониты могут быть естественного и искусственного происхождения (обработанный серной кислотой уголь, синтетические ионообменные смолы). Применяя фильтрование воды через катионит, можно удалить из нее катионы, фильтруя ее через анионит - удалить анионы.

При фильтровании воды ионообменные свойства ионитов постепенно падают. После истощения обменных свойств иониты могут быть регенерированы (восстановлены). Катиониты регенерируют промыванием разбавленным раствором кислоты или крепким раствором хлористого натрия, аниониты - промыванием раствором щелочи.

Для умягчения воды применяют фильтрование воды через слой естественных (глауконитовые пески) или искусственных катионитов толщиной 2-4 м. При этом ионы Ca⁺⁺ и Mg⁺⁺ воды обмениваются на ионы Na⁺ или ионы H⁺ катионита.

Опреснение. Последовательное фильтрование воды сначала через катионит, а затем через анионит позволяет освободить воду от всех растворенных в ней солей и потому применяется с целью опреснения (рис. 34). Процесс опреснения можно проиллюстрировать на примере удаления из воды хлористого натрия:

катионит - H+NaCl → катионит - Na+HCl;

анионит - OH+HCl → анионит - Cl+H₂O.

Ионитовые установки для опреснения воды могут быть как стационарные, так и передвижные (экспедиции, полевые станы, войска).

Рис. 34. Схема ионообменной опреснительной установки: 1 - катионитовый фильтр; 2 - анионитовый фильтр; 3 - дегазатор; 4 - резервуар для опресненной воды; 5 - насос; 6 - бак для регенерационного раствора кислоты; 7 - бак для регенерационного раствора щелочи

Для опреснения воды на водопроводах, морских судах применяют термический метод, основанный на выпаривании воды с последующей конденсацией паров. Желательно, чтобы содержание минеральных солей в опресненной воде было не менее 100-200 мг/л. Поэтому в случае необходимости к ней добавляют часть неопресненной воды.

Обесфторивание воды. При необходимости освободить воду от избытка фтора ее фильтруют через анионообменные смолы: анионит OH+RF⇔анионит - F+ROH. Чаще синтетических смол в качестве ионообменного материала используют с большим успехом активированную окись алюминия. Иногда имеется возможность снизить содержание фтора в воде до оптимальных величин за счет разбавления водой из другого источника, содержащей ничтожные количества фтора.

Фторирование воды. В последние годы большое внимание исследователи уделяют фторированию воды, т. е. искусственному добавлению к ней фтористых соединений с целью уменьшения заболеваемости кариесом зубов. Кариес зубов принадлежит к числу наиболее распространенных заболеваний человека. Кариес зубов приводит не только к потере зубов, но и к другим заболеваниям полости рта и костей (например, к остеомиелиту челюстных костей), хрониосепсису и ревматизму, различным заболеваниям желудочно-кишечного тракта в связи с ухудшением разжевывания пищи и замедлением эвакуации ее из желудка. Несмотря на применяющиеся стоматологами в разных странах меры борьбы с кариесом, заболеваемость имеет тенденцию к росту. Особенно велика заболеваемость кариесом зубов в США.

После того как появились наблюдения, показавшие, что среди населения, употребляющего воду с концентрацией фтора около 1 мг/л, заболеваемость кариесом в 2-4 раза меньше, чем среди населения, пользующегося водой с концентрацией фтора до 0,3 мг/л, возникли предложения фторировать воду. В 1945 г. фторирование воды было начато за рубежом. Двадцатилетние наблюдения показали, что в результате этого мероприятия заболеваемость кариесом зубов школьников снизилась на 40-70%, причем наблюдения различных специалистов не выявили каких-либо неблагоприятных отклонений в общем состоянии их здоровья. В настоящее время фторирование воды осуществляется более чем на 4000 водопроводах различных стран, снабжающих водой свыше 1120 млн. человек.

С 1964 г. принято решение о широком внедрении фторирования воды на водопроводах СССР. Планируется к 1971 г. охватить фторированием водопроводы, снабжающие водой свыше 30 млн. человек. В настоящее время вода фторируется в Ленинграде, Мурманске, Норильске, Виннице, Ивано-Франковске, Таллине и других городах.

Фторирование воды, позволяющее значительно снизить заболеваемость населения кариесом зубов, рассматривают как крупнейший успех профилактической медицины.

Фторирование осуществляется путем добавления к прошедшей очистку воде раствора фторсодержащего соединения (фтористый или кремнефтористый натрий, кремнефтористый аммоний, кремнефтористая кислота и др.) в таком количестве, чтобы концентрация фтора в воде повысилась до 1 мг/л в условиях холодного или умеренного климата, до 0,9 мг/л в условиях теплого климата и 0,7-0,8 мг/л в жарком климате.

При введении фтора в воду следует обеспечивать тщательное дозирование его. Отклонения в дозировке не должны превышать ±5-10%.

Желательно, чтобы устройство, дозирующее раствор фтористого натрия в водопроводную воду, автоматически регулировало подачу его в зависимости от расхода воды. Необходим систематический контроль за содержанием фтора во фторированной воде.