Гигиеническая характеристика методов улучшения качества питьевой воды.
Методы улучшения качества питьевой воды подразделяются на:
1. Основные– осветление и обесцвечивание, обеззараживание
2. Специальные - умягчение, обезжелезивание, опреснение, фторирование, обесфторивание и др.
Основные методы.
Целью основных методов обработки питьевой воды является улучшение органолептических (осветление и обесцвечивание) и бактериологических (обеззараживание) показателей.
Осветление, обесцвечивание.
Под осветлением воды понимают удаление взвешенных веществ. Обесцвечивание воды – устранение окрашенных коллоидов или истинно растворенных веществ. Осветление и обесцвечивание воды достигается методами отстаивания, фильтрования через пористые материалы и коагулирования. Очень часто эти методы применятся в комбинации друг с другом, например, отстаивание с фильтрованием или коагулирование с отстаиванием и фильтрованием.
Отстаивание.
С помощью отстаивания можно достичь освобождения воды лишь от крупных взвешенных частиц диаметром не менее 0,1-0,01 мм. Более мелкие частицы практически не оседают. Для их удаления требуется проводить коагулирование. В составе большинства сооружений водопроводных станций имеются специальные бассейны непрерывного действия, называемые отстойниками. Принципом работы отстойника является замедление скорости движения воды при переходе из узкого русла трубы в широкое русло бассейна (с 1 м до нескольких мл в секунду). Движение воды настолько замедляется, что оседание взвеси происходит в условиях, близким тем, какие создаются при ее полной неподвижности. При этом мелкие частицы нередко агломерируют (укрупняются) и также приобретают способность к оседанию. В зависимости от направления движения воды различают горизонтальные и вертикальные отстойники.
Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный, вытянутый в направлении движения воды резервуар, снабженный приспособлениями для сообщения воде ламинарного течения. Дно горизонтального отстойника имеет наклон в сторону входной части, где находится приямок для сбора осадка. Осветляемая водапоступаетчерез водосливной лоток и далее через дырчатую перегородку с одной из торцовых сторон отстойника, а выходит с другой торцовой стороны через дырчатую перегородку и затем через лоток. Обычно отстойник разбивают на ряд параллельно работающих коридоров шириной не более 6 м, расчетная скорость движения воды составляет 2 - 4 мм/с. В отстойнике частица взвеси находится под действием двух взаимно перпендикулярных сил: скорости выпадения по вертикали и скорости движения вод, увлекающей частицу в горизонтальном направлении. В результате действия этих сил частица либо опускается на дно или выносится из отстойника.
Вертикальный отстойник — резервуар конической или пирамидальной формы. В центре резервуара помещается металлическая труба, в верхнюю часть которой поступает осветляемая вода. Пройдя ее сверху вниз, осветляемая вода поступает в зону осаждения, которую проходит по всему ее сечению снизу вверх с небольшой скоростью.
Осветленная вода переливается через борт отстойника в круговой желоб. Осадок, накапливающийся в нижней части отстойника, периодически (1—2 раза в сутки) удаляют. В вертикальных отстойниках скорость воды составляет 0,4 - 0,6 мм/с и время прохождения 4 - 8 часов. Преимуществом вертикальных отстойников является малая площадь.
Недостатком метода отстаивания является: медленность, и увеличение объема отстойников для удлинения времени осаждения, кроме того, наиболее мелкая взвесь не успевает осесть и коллоидные вещества совсем не выделяются.
рис.1 Вертикальный отстойник
В военно-полевой практике, особенно при длительном пребывании войск на одном месте, метод отстаивания может применяться в виде устройства небольших запруд и искусственных водоемов, имеющих сообщение с рекой.
При длительном отстаивании, которое не редко происходит в естественных природных условиях (пруды, водохранилища), наблюдается не только увеличение прозрачности, но и снижение цветности и количества микроорганизмов (по Хлопину на 75-90%),
Коагулирование.
Сущность процесса коагуляциисостоит в том, что вещества, находящиеся в воде в коллоидном состоянии, свертываются, образуют хлопья и выпадают в осадок. Осветление воды коагулированием применятся, прежде всего, с целью освобождения ее от мутности и цветности, обусловленных коллоидными взвесями. Коагуляция происходит под влиянием химических реагентов – коагулянтов, в качестве которых применяют соль алюминия А12(SО4)3 * 18Н2О, сернокислое железо FeSO4 * 7Н2О и хлорное железо FеС13 * 6Н2О.
Вода, обладающая значительной цветностью и мутностью, представляет собой полидисперсную систему, содержащую электролиты, коллоидные частицы (главным образом гуминовые кислоты и их соли) и грубодисперсные примеси. Коагулянты, будучи растворены в воде, подвергаются гидролизу с образованием труднорастворимых гидратов окисей хлопьевидной структуры.
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 2 Al(OH)3 + 3Ca SO4 + 6 CO2
Al2(SO4)3 + 3Mg(HCO3)2 = 2 Al(OH)3 + 3Mg SO4 + 6 CO2
При взаимодействии положительно заряженного коллоида гидрата окиси алюминия с отрицательно заряженными коллоидами воды происходит потеря заряда, приводящая к агломерации коллоидных частиц и выпадению их в осадок.
Рыхлые хлопья самого коагулянта обладают огромной активной поверхностью (десятки квадратных метров на 1г осадка), на которой сорбируются коллоидные частицы и более грубые взвеси (последние в большей мере захватываются механически), и оседают вместе с ними на дно, осветляя воду.
На эффективность коагуляции влияют активная реакция и щелочность воды, интенсивность перемешивания, количество грубой взвеси, температура воды. Для вод различного состава должны подбираться разные дозы коагулянта.
Для ускорения процесса коагуляции применяют флоккулянты – высокомолекулярные синтетические соединения. Применение флокуллянтов позволяет ускорить процесс коагуляции, увеличить скорость восходящего движения воды в осветлителях со слоем взвешенного осадка, уменьшить время пребывания воды в отстойниках за счет увеличения скорости осаждения хлопьев, увеличить скорость фильтрования и продолжительность фильтроцикла.
Фильтрование воды.
Производится с целью освобождения ее от взвешенных частиц, обуславливающих мутность. Наряду с этим на фильтре частично задерживаются микроорганизмы, некоторые ядовитые и радиоактивные вещества, снижаются цветность, окисляемость воды.
Фильтры классифицируют по скорости фильтрования – медленные (0,1-0,3 м/ч) и скорые (5-10 м/ч), по направлению фильтрующего потока – одно- и двух поточные, по числу фильтрующих слоев – одно- и двухслойные.
Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой железобетонный резервуар, заполненный фильтрующим материалом в два слоя. Фильтрующий слой выполняют из материала, обладающего достаточной прочностью (кварцевый песок, антрацитовая крошка, керамзит). Поддерживающий слой служит для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруемой водой через отверстия. Он состоит из слоев гравия или щебня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм.
Фильтрование воды осуществляется двумя принципиально отличающимися друг от друга методами. Пленочное фильтрование предполагает образование пленки из ранее задержанных примесей воды в верхнем слое фильтрующей загрузки. Вначале вследствие механического осаждения частиц взвеси и их прилипания к поверхности зерен загрузки уменьшается размер пор. Затем на поверхности песка развиваются водоросли, бактерии и пр., дающие начало илистому, состоящему из минеральных и органических веществ осадку (биологическая пленка). Образованию пленки способствуют малая скорость фильтрации, большая мутность воды, значительное содержание фитопланктона. Пленка достигает толщины 0,5—1 мм и больше.
Биологическая пленка играет решающую роль в работе так называемых медленных фильтров. Помимо задержания мельчайшей взвеси, пленка задерживает бактерии (уменьшая их количество на 95—99%), обеспечивает снижение окисляемости (на 20—45%) и цветности (на 20%) воды. Медленные фильтры, отличающиеся простотой устройства и эксплуатации, были первыми очистными сооружениями городских водопроводов в начале XIX века. В дальнейшем, в связи с ростом водопотребления и мощностей водопроводов, они уступили место скорым фильтрам, преимуществом которых является большая производительность и меньшая площадь, что важно в условиях современного города.
Медленные фильтры сооружают с загрузкой фильтрующего слоя из кварцевого песка высотой 800—850 мм и поддерживающего слоя гравия или щебня высотой 400— 450 мм. Скорость фильтрации составляет 0,1—0,3 м/ч. Профильтрованная вода собирается дренажной системой, расположенной на дне фильтра. Очистка фильтра производится через 10—30 суток вручную, путем снятия верхнего слоя песка толщиной 15—20 мм и подсыпки свежего. После очистки фильтра фильтрат в течение нескольких дней,до образования биологической пленки, идет на сброс.
Скорые фильтрыустроены несколько сложнее. Они имеют специальную подготовку чистой воды для промывания под напором и латки для сбора и отведения промывной воды. Вода на скорые фильтры должна подаваться как правило после коагуляции. Фильтрующая пленка создается очень быстро, главным образом за счет хлопьев коагулянтов. Скорость фильтрации достигает 5-7 м/ч, то есть в 50-70 раз больше, чем в медленных фильтрах. Это обстоятельство позволяет фильтровать большие количества воды через сравнительно небольшие фильтрующие площади. Объемное фильтрование, осуществляемое на скорых фильтрах, является физико-химическим процессом. При объемном фильтровании механические примеси воды проникают в толщу фильтрующей загрузки и адсорбируются под действием сил молекулярного притяжения на поверхности ее зерен и ранее прилипших частиц. Чем больше скорость фильтрования и чем крупнее зерна загрузки, тем глубже проникают в ее толщу загрязнения и тем равномернее они распределяются.
Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе работы фильтра вода проходит фильтрующий и поддерживающий слои и через распределительную систему направляется в резервуар чистой воды. По окончании производится промывка фильтра. При увеличении сопротивления больше допустимой величины фильтрующая пленка снимается промыванием чистой водой, пускаемой в фильтр снизу вверх под напором. Такое промывание приходится делать 1-2 раза в сутки в зависимости от степени мутности фильтруемой воды.
Промывку производят обратным током чистой профильтрованой воды путем ее подачи под необходимым напором в распределительную систему. Промывная вода, проходя с большой скоростью (в 7—10 раз большей, чем скорость фильтрования) через фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и очищает ее. Продолжительность промывки скорых фильтров 5—7 мин.
В фильтрах с двухслойной загрузкой над слоем песка диаметром частиц 0,5-1,2 мм 0,4—0,5 м насыпается также слой дробленого антрацита или керамзита размером частиц 0,8-1,8 мм. В таком фильтре верхний слой, состоящий из более крупных зерен, задерживает основную массу загрязнений, а песчаный — их остаток, прошедший через верхний слой. Плотность антрацита (керамзита) меньше плотности песка, поэтому после промывки фильтра послойное расположение загрузки восстанавливается самостоятельно. Скорость фильтрации в двухслойном фильтре 10— 12 м/ч, что в 2 раза больше, чем в скором.
Контактный осветлитель, как и скорый фильтр, загружен гравием и песком, но совмещает в себе процессы коагуляции, осветления и фильтрации воды.
Вода подается снизу через распределительную систему из дырчатых труб вместе с раствором коагулянта, и хлопья образуются в толще загрузки (см. рис. 64, в). Такой вид коагуляции получил название контактной в отличие от обычной, протекающей в свободном объеме.
Контактная коагуляция имеет отличия от объемной: образование хлопьев при соприкосновении с зернистой загрузкой происходит гораздо быстрее и к тому же при меньших дозах коагулянта. Хлопья фиксируются на поверхности зерен и адсорбируют на себе взвесь. В слое гравия задерживается более крупная взвесь, что снижает заиливание песка, толщина слоя песка - 2м — вдвое больше обычных скорых фильтров, что еще более повышает грязеемкость и удлиняет время между промывками. Промывная вода подается, как обычно, снизу вверх и удаляется по желобам. Скорость фильтрации —4—5 м/ч. Взвесь успешно задерживается при первоначальном ее содержании не более 150 мг/л.
Основное преимущество контактных осветлителей состоит в том, что отпадает необходимость в отстойниках и камерах реакций.
Обеззараживание.
Под обеззараживанием воды понимается в первую очередь освобождение ее от патогенных микроорганизмов.
Способы обеззараживанияпитьевой воды условноподразделяют на безреагентные (физические), реагентные (химические), механические и комбинированные.
К физическим способам относится использование ультрафиолетового и ионизирующего излучения, ультразвуковых колебаний, термической обработки.
К химическим способам относится хлорирование, озонирование, использование препаратов серебра, меди, йода и некоторых других реагентов.
К механическим способамотносится использование различных фильтров.
Физические методы.
Температура.
Для термического обеззараживания питьевой воды используют открытое пламя (в том числе и высокотемпературную плазму), горячий воздух, перегретый пар. Наиболее часто применяют кипячение воды.
Кипячение в течение нескольких минут освобождает воду от вегетативных форм микроорганизмов, разрушает различные бактериальные эндо - и экзотоксины, инактивирует вирусы. Споры инактивируются за более длительное время: для возбудителя сибирской язвы оно составляет 10 мин., столбняка – около 1 часа, Cl. Botulinum – 1 – 5 ч.
Кипячение воды как метод ее обеззараживания имеет ряд важных преимуществ:
1. простота контроля за эффективностью обработки,
2. доступность, надежность и быстрота обеззараживания,
3. независимость бактерицидного эффекта от физико-химических показателей обеззараживаемой воды,
4. отсутствие заметного влияния на физико-химические и органолептические свойства воды,
5. возможность автоматизации,
Кнедостаткам способаотносятся:
1. дороговизна в силу значительных затрат электроэнергии или топлива
2. малая производительность
3. кипяченая вода имеет высокую температуру и так называемый «вялый» вкус, получающийся вследствие удаления из воды растворенных в ней газов и уменьшения жесткости. Однако едва ли следует считать эти особенности кипяченой воды ее недостатками. В холодное время года, например, высокая температура, наоборот, является положительным свойством, да и в жаркое время многие жители восточных стран предпочитают пить горячий чай. Что касается «вялого» вкуса, то остуженную кипяченую воду трудно отличить по вкусу от не кипяченой.
4. Кипяченая вода легко подвергается вторичному микробному загрязнению, т. к. отсутствует эффект последействия и конкурирующие сапрофиты, а температура воды долго остается благоприятной для роста микроорганизмов.
В силу экономических и технологических трудностей кипячение рассматривают как способ обеззараживания индивидуальных (групповых) запасов питьевой воды в домашних условиях, на автономных объектах и транспорте, при сложной эпидемической обстановке.
Ультрафиолетовое излучение.
Благотворное действие солнечного света на воду было известно еще в глубокой древности. В одной из санскритских книг («Усрута Сангита»), написанной за две тысячи лет до нашей эры, сказано: «Хорошо держать воду в медных сосудах, выставлять ее на солнце и фильтровать через древесный уголь». Однако объяснение причин благоприятного действия света на воду стало возможным лишь после открытия микроорганизмов и изучения влияния на них солнечного света. В дальнейшем было установлено, что максимальное бактерицидное действие оказывает ультрафиолетовый участок спектра, в особенности лучи с длиной волны от 250 до 260 нм (область С). Чувствительность микроорганизмов к УФИ в этом диапазоне хорошо изучена и определяется по дозе излучения, которая обычно измеряется в мДж/см2 или мВт*с/см2. Доза, обеспечивающая 90% инактивацию E.coli, составляет 3 мДж/см2.
УФИ оказывает бактерицидное, вирулицидное и спороцидное действие. Микроорганизмы по чувствительности к УФИ располагаются в следующем порядке: вегетативные бактерии > вирусы > бактериальные споры > цисты > простейшие. Следовательно, вирусы более устойчивы к УФИ, чем вегетативные формы бактерий, и среди них вирусы, содержащие двухнитевую ДНК, более устойчивы, чем вирусы с однонитевой ДНК. Для эффективного заключительного обеззараживания воды УФ-установки должны обеспечивать дозу облучения не менее 16 мДж/см2.
Гибель микроорганизмов под действием УФИ с длиной волны 250-260 нм происходит за счет необратимых повреждений бактериальной ДНК. Основными мишенями при этом являются азотистые основания нуклеотидов – пурины и пиримидины. УФИ в области 280 – 400 нм также способно индуцировать фотодеструктивные реакции в ДНК. В результате обработки УФИ наряду с ДНК повреждаются РНК, мембранные и белковые структуры бактериальной клетки.
В последние годы появились сообщения об образовании в воде под действием УФИ своднорадикальных продуктов, которые усиливают бактерицидное действие этого физического фактора.
Преимущества метода:
6. широкий спектр антибактериального действия;
7. отсутствие опасности передозировки;
8. короткая экспозиция, исчисляемая несколькими секундами;
9. УФИ не денатурирует воду, не изменяет её запах и вкус;
10. способ не требует реакционных емкостей, отличаясь высокой производительностью и простотой эксплуатации;
11. улучшение условий труда обслуживающего персонала, так как исключается из обращения вредные химические вещества (хлор);
12. экономическая рентабельность, способ по стоимости сравним с хлорированием;
13. эффективность обеззараживания не зависит от рН и температуры воды;
14. установки УФ-обеззараживания компактны, работают в проточном режиме, надежны в отношении техники безопасности.
К недостаткам методаследует отнести отсутствие надежного способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания и большое влияние физико-химических свойств воды на эффект обеззараживания.
Цветность, мутность снижает бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей, вид микроорганизмов, их количество, доза облучения также влияют на бактерицидный эффект. Кроме того, эффективная доза УФИ зависит от тип установки и, следовательно, необходимо проверять эффективность работы оборудования в каждом конкретном случае.
К числу негативных особенностей способа относится и возможность осаждения содержащихся в воде гуминовых кислот, железа и солей марганца на кварцевом чехле ламп, что уменьшает интенсивность излучения.
Обеззараживание УФИ не имеет эффекта последействия, что делает возможным вторичный рост бактерий в обрабатываемой воде. Реактивация микрофлоры возникает в тех случаях, когда интенсивность УФИ ниже необходимого уровня, обработанная вода подвергается вторичному загрязнению или последующему облучению видимым светом (фотореактивация). Наряду с фотореактивацией возможна и фотозащита – возрастание устойчивочти к действию коротковолнового УФИ у микроорганизмов, предварительно облученных длинноволновым УФ-светом.
Ультразвук.
Особенностью УЗК является большая интенсивность колебаний, что обуславливает его физико-химическое и биологическое действие. Единой теории, объясняющей бактерицидное действие УЗК в воде, до настоящего времени не существует. Одни считают, что биологическое действие УЗК обусловлено механическими колебаниями в результате ультразвуковой кавитации, другие, наряду с механическим воздействием, подчеркивают роль химических реакций, вызванных влиянием данного физического фактора.
УЗК оказывают губительное действие на самые разнообразные микроорганизмы – патогенные и непатогенные, анаэробные и аэробные, вегетативные и споровые, а также разрушают продукты и их жизнедеятельности.
Эффективность бактерицидного действия УЗК зависит от целого ряда обстоятельств: параметров УЗК (интенсивности, частоты колебаний, экспозиции); некоторых физических особенностей озвучиваемой среды (температура, вязкость); морфологических особенностей возбудителя (размеров и формы бактериальной клетки, наличия капсулы, химического состава мембраны, возраста культуры).
Мутность до 50 мг/л и цветность воды, а также содержание в ней различных химических элементов (железо, марганец), обычно снижающих бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей, заметного влияния на бактерицидный эффект ультразвуковых колебаний не оказывает.
Преимущества метода:
1. широкий спектр антимикробного действия
2. отсутствие отрицательного влияния на органолептические свойства воды
3. независимость бактерицидного действия от основных физико-химических параметров воды
4. возможность автоматизации процесса
Недостатки метода:
1. отсутствие последействия и метода оперативного контроля за эффективностью обеззараживания
2. процесс обеззараживания в 2-4 раза более дорогой, чем обработка УФИ
3. трудность конструирования установок большой производительности, отличающихся надежностью в эксплуатации и приемлемой себестоимостью.
Теоретические, научные и технологические основы использования УЗК до настоящего времени не разработаны, поэтому возникают трудности при определении оптимальной интенсивности колебаний и их частоты, времени озвучивания и других параметров процесса.
В качестве источника УЗК используют различные пьезоэлектрические и магнитострикционные генераторы.
Ионизирующее излучение.
g- излучение оказывает выраженное бактерицидное действие. Доза g - лучей порядка 25000 – 50000 Р вызывает гибель практически всех видов микроорганизмов, а доза 100000 Р освобождает воду от вирусов. Механизм действия связан с повреждающим действием на бактериальные клетки и вирусы свободнорадикальных продуктов, образующихся в результате радиолиза воды.
Преимущества метода:
1. большая проникающая способность g - лучей
2. независимость бактерицидного действия от химического состава и физических свойств воды
3. отсутствие влияния на органолептические показатели
4. относительная дешевизна.
Недостатки метода:
1. строгие требования к технике безопасности для обслуживающего персонала
2. ограниченное число источников излучения
3. отсутствие последействия и способа оперативного контроля за эффективностью обеззараживания.
В литературе имеются сообщения о возможности использования для обеззараживания воды и некоторых других физических факторов: электромагнитных полей, лазерного излучения, вакуумирования. До настоящего времени изучение этих способов находится на стадии лабораторных исследований.
Химические методы.
Химические методы обеззараживания воды основаны на применении различных соединений, обладающих бактерицидным действием. Эти вещества должны отвечать определенным требованиям, а именно: не делать воду вредным для здоровья; не изменять ее органолептических свойств; оказывать надежное бактерицидное действие (в малых концентрациях и в течение короткого времени контакта); быть удобными в применении и безопасными в обращении, стойкими при длительном хранении; производство их должно быть дешевым и доступным.
Существующая практика обеззараживания питьевой воды показывает негативные стороны данного метода, проявляющиеся в токсическом действии как самих обеззараживающих реагентов, так и побочных продуктов реакции, дающих канцерогенный, мутагенный и ряд других неблагоприятных эффектов.
Следует заметить, что до сих пор веществ, полностью удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, найти не удалось. В большой степени им отвечают хлор и его препараты, чем и можно объяснить их широкое распространение в практике коммунального водоснабжения.
Наряду с хлором и его препаратами применяются или применялись и другие вещества, например, озон, йод, перекись водорода, препараты серебра, органические и неорганические кислоты и т. д.
Хлорирование и озонирование получили широкое распространение на очистных сооружениях водопроводов, в то время как остальные методы нашли применение при обеззараживании небольших объемов воды на автономных объектах, в полевых и экстремальных условиях водоснабжения.
Обеззараживание хлором.
Наиболее часто для хлорирования воды на водопроводах используют газообразный хлор, однако применяют и другие хлорсодержащие реагенты. В порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала они располагаются в следующем порядке: хлорамины (RNHC12 и RNH2C1), гипохлориты кальция и натрия [Са(ОС1)2] и NaOCl хлорная известь (ЗсаОС1 • СаО • 5Н2О), газообразный хлор, двуокись хлора ClO2. В последние годы внедряется электрохимический способ обеззараживания природных вод.
Бактерицидный эффект хлорирования объясняется, в основном, воздействием хлора на различные структуры микроорганизма: цитоплазматическую мембрану, белки цитоплазмы, ядерный аппарат клетки. Хлор уничтожает ферменты дыхательной цепи бактерий – дегидрогеназы, блокируя SH – группы.
При диссоциации хлора образуется хлорноватистая кислота, которая и оказывает бактерицидное действие.
С12 + Н2О - НОС1 + НС1
Бактерицидным свойством обладает также гипохлорит-ион и хлор-ион, которые образуются при диссоциации хлорноватистой кислоты:
НОС1->ОС1- + Н +
ОС1 àС1 - + О
Степень диссоциации НОС1 возрастает при повышении активной реакции воды, таким образом, с повышением рН бактерицидный эффект хлорирования снижается. Действующим началом при хлорировании хлорамином и гипохлоритами является гипохлорит-ион, а двуокисью хлора НСЮ2 – хлористая кислота, которая имеет наиболее высокий окислительно-восстановительный потенциал, в силу чего при использовании двуокиси хлора достигается наиболее полное и глубокое окисление и обеззараживание.
При введении хлорсодержащего реагента в воду основное его количество – более 95 % расходуется на окисление органических и легкоокисляющихся (соли двухвалентного железа и марганца) неорганических веществ, содержащихся в воде, на соединение с протоплазмой бактериальных клеток расходуется всего 2-3 % общего количества хлора.
Количество хлора, которое при хлорировании 1 л воды расходуется на окисление органических, легкоокисляющихся неорганических веществ и обеззараживание бактерий в течение 30 минут, называется хлорпоглощаемостью воды. Хлорпоглощаемость определяется экспериментально, путем проведения пробного хлорирования.
По окончании процесса связывания хлора содержащимися в воде веществами и бактериями в воде начинает появляться остаточный активный хлор. Его появление, определяемое титрометрически, является свидетельством завершения процесса хлорирования. Остаточный хлор – это активный, не прореагировавший за установленное время избыточный хлор. Величина остаточного хлора должна составлять 0,3-0,5 мг/л, что является гарантией эффективности обеззараживания.
Кроме того, наличие активного остаточного хлора необходимо для предотвращения вторичного загрязнения воды в разводящей сети. Таким образом, наличие остаточного хлора является косвенным показателем безопасности воды в эпидемическом отношении.
Общее количество хлора, необходимое для удовлетворения хлорпоглощаемости воды и обеспечения наличия необходимого количества (0,3-0,5 мг/л свободного активного хлора при нормальном хлорировании и 0,8-1,2 мг/л связанного активного хлора при хлорировании с аммонизацией) остаточного хлора называется хлорпотребностью.
Хлорирование характеризуется широким спектром антимикробного действия в отношении вегетативных форм микроорганизмов, экономичностью, простотой технологического оформления, наличием способа оперативного контроля за процессом обеззараживания.
Хлорирование имеет и ряд существенных недостатков: хлор и его препараты являются токсичными соединениями, поэтому работа с ними требует строго соблюдения техники безопасности. Хлор воздействует в основном на вегетативные формы микроорганизмов, при этом грамположительные формы бактерий более устойчивы к его действию, чем грамотрицательные. Имеются данные о реактивции микроорганизмов в хлорированной питьевой воде, появлении хлорустойчивых штаммов. Для получения гарантированного бактерицидного эффекта прибегают к хлорированию заведомо избыточными дозами хлора, что ухудшает органолептические показатели и приводит к денатурации воды.
Эффективность обеззараживающего действия хлора и его препаратов зависит от биологической характеристики микроорганизма (вид, штамм, плотность заражения). Спороцидный эффект проявляется при относительно высоких концентрациях активного хлора (200-300 мг/л0 и экспозиции от 1,5 до 24 часов. Вирулицидное действие хлорсодержащих препаратов – гибель вирусовнаблюдается при концентрации активног хлора от 0,5 до 100 мг/л. Высокорезистентными к действию хлора являются также цисты простейших и яйца гельминтов.
Кроме того, эффективность обеззараживания зависит от химического состава воды и экспозиции. Различные химические вещества антропогенного происхождения могут существенно влиять на эффективность процесса обеззараживания. Например, поверхностно-активные вещества препятствуют реализации бактерицидного эффекта хлора и даже проявляют стимулирующее действие, вызывая размножение микрофлоры.
В последние годы в литературе появились сообщения о возможности образования в воде после хлорирования галогенсодержащих соединений (ГСС). Источником наибольшего количества ГСС в воде являются гуминовые кислоты, фульвокислоты, хиноины, производные фенола, анилина, а также продукты метаболизма водорослей. На процесс образования ГСС в водной среде оказывает влияние реакционная способность и концентрация органических соединений, форма и доза хлора. ГСС обладает выраженным общетоксическими свойствами, а также дают отдаленные эффекты – эмбриотоксический, мутагенный, канцерогенный.
Методы хлорирования:
1.Хлорирование нормальными дозами.
Доза хлора устанавливается экспериментально по сумме величин хлорпоглощаемости и нормы остаточного хлора (хлорпотребности воды) путем проведения опытного хлорирования. Хлорирование нормальными дозами является наиболее часто применяемым методом на водопроводных станциях. Минимальное время контакта воды с хлором при хлорировании составляет летом не менее 30 минут, зимой – 1 часа.
Этапы хлорирования:
· определение хлорпотребности воды.
· расчет необходимого количества хлора для обеззараживания воды.
· контроль эффективности хлорирования путем определения количества остаточного хлора в воде.
Преимущества:
· малый расход хлора
· не изменяются органолептические свойства воды.
Недостатки:
· трудно выбрать рабочую дозу хлора.
2.Гиперхлорирование – хлорирование избыточными дозами хлорсодержащими соединениями, заведомо превышающими хлорпотребность воды. Гиперхлорирование применяется в неблагоприятной эпидемиологической обстановке, при отсутствии или неэффективной работе водоочистных сооружений, в полевых условиях, при отсутствии возможности проведения пробного хлорирования для определения хлорпотребности, при невозможности обеспечить достаточное время контакта с хлором.
Преимущества:
· создает возможность надежного обеззараживания мутных, цветных, сильнозагрязненных и зараженных вод
· сокращается время обеззараживания до 10-15 минут
· упрощается техника хлорирования, т.к. нет необходимости проводить опытное хлорирование
Доза хлора определяется ориентировочно в зависимости от вида водоисточника, качества воды (мутности, цветности), степени её загрязнения и опасности в эпидемическом отношении. Дозы хлора при гиперхлорировании для воды хорошо оборудованных колодцев, при хороших органолептических свойствах воды – 10 мг/л, при пониженной прозрачности колодезной воды, воды рек или озер (прозрачной и бесцветной) – 15 мг/л, при сильном загрязнении воды любого водоисточника и при использовании воды из источников непитьевого назначения (вода искусственных прудов и запруд) – 25-20 мг/л. В неблагоприятной эпидемиологической обстановке доза хлора может быть увеличена до 100 мг/л.
По истечении необходимого времени контакта избыточное количество остаточного хлора удаляют путем дехлорирования воды тиосульфатом натрия или фильтрацией через активированный уголь.
Недостатки:
· большой расход препаратов хлора
· необходимость проведения дехлорирования
3.Хлорирование с преаммонизацией
Этот метод применяется в случае обнаружения в воде поверхностных водоисточников фенолов, попадающих туда с промышленными сточными водами. При взаимодействии хлора с фенолом образуются стабильные хлорфенольные соединения, придающие воде резкий аптечный запах и привкус, что делает воду непригодной для питья и ограничивает использование других способов хлорирования. При хлорировании с преаммонизацией в воду вначале вносится аммиак, образующий амины, а затем хлор, вступающий в реакцию с аминами с образованием хлорамина, который и оказывает бактерицидное действие. Образующиеся хлорамины не взаимодействуют с фенолами из-за более низкого окислительно-восстановительного потенциала и хлорфенольный запах не возникает. К недостаткам метода можно отнести то, что хлораминный хлор проявляет бактерицидный эффект в 2 раза медленнее, чем свободный хлор, и обладает более низким окислительно-восстановительным потенциалом, поэтому время хлорирования увеличивается и количество остаточного связанного хлора должно составлять 0,8 – 1,2 мг/л.
Данный способ хлорирования может применяться при необходимости транспортировки воды по трубопроводам на большие расстояния. Это обусловлено тем, что остаточный связанный (хлораминный) хлор обеспечивает более длительный бактерицидный эффект, чем свободный.
Наиболее лучшим соотношением аммиака и хлора считается 1:4, при котором образуется монохлорамин, наиболее эффективно предотвращающий появление запаха. Уже образовавшийся запах аммонизация не устраняет.
4.Двойное хлорирование.
Хлор подается в воду первый раз в смеситель перед отстойниками, а второй – после фильтров. Хлор перед отстойниками ослабляет защитные свойства коллоидов, облегчая процесс коагуляции, и позволяет уменьшить дозу коагулянта. Кроме того, он подавляет рост бактерий, засоряющих песок на фильтрах, и делает более успешным повторное заключительное хлорирование. Двойное хлорирование применяют в тех случаях, когда бактериальная загрязненность речной воды высока или подвержена значительным колебаниям. Повторное обеззараживание служит дополнительной гарантией надежности эпидемиологической безопасности воды.
Обеззараживание озоном.
Озон (О3) является сильным окислителем; его окислит