Специальные методы улучшения качества воды
Специальные методы улучшения качества питьевой воды: умягчение, обезжелезивание, опреснение, дегазация, фторирование, дефторирование и дезактивация.
Способы умягчения жесткой воды (более 200 жесткости): 1). Кипячение (устраняется карбонатная жесткость); 2). Добавление извести (устраняется карбонатная жесткость), 3). Коагуляция с последующей фильтрацией (устраняется карбонатная жесткость): Al2(SO4)3 + Ca(HCO3)2 = 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2; 4). Добавление соды (некарбонатная жесткость переводится в карбонатную с последующим удалением карбонатной), 5). Фильтрация через ионообменные смолы (катионитный фильтр) – т.н. "глубокое умягчение" за счет обмена катионов кальция и магния на катионы водорода, натрия и пр.[33]
Способы обезжелезивания воды, содержащей ионы железа в концентрации превышающей ПДК = 0,3 мг/л, основаны на окислении железа растворимых солей до Fe3+ и образования нерастворимого в воде соединения Fe(OH)3. В качестве окислителей используют кислород воздуха или хлор, насыщая воду барботированием[34] окислителя или разбрызгиванием (аэрацией[35]) воды.
Опреснение (удаление избытка минеральных солей) применяют для морской воды, содержащей ионы Cl-, Na+, SO42-, Mg2+, а также Ca2+, K+, и горько-соленой воды, содержащих помимо избытка хлоридов избыток сульфатов в концентрации более 500 мг/л и встречающихся в регионах с высокой засоленностью почв в степной, полупустынной и пустынной зоне.
Основные способы опреснения: 1). Перегонка (дистилляция) морской или соленой воды с содержанием солей более 10 г/л – получение дистиллята с последующим добавлением известковых солей до нормальной концентрации, характерной для питьевой воды; 2). Электродиализ соленой воды с содержанием солей 2,5-10 г/л; 3). Гиперфильтрация (обратный осмос) воды с содержанием солей 2,5-10 г/л; 4). Фильтрация соленой воды с содержанием солей менее 2,5 г/л через ионообменные смолы; 5). Вымораживание соленой воды с содержанием солей менее 2,5 г/л, основанное на разнице температуры замерзания чистой воды и рассола.
Дегазация применяется для воды, насыщенной вредными или плохо пахнущими газами – сероводородом H2S, метаном СН4, углекислым газом CO2, радоном и другими. Наиболее приемлемым способом дегазации является аэрация, осуществляемая барботированием воздуха через воду или разбрызгиванием воды.
Фторирование применяется для воды с концентрацией фторидов <1 мг/л (в зонах с холодным и умеренным климатом), <0,5-0,6 мг/л (в зонах с теплым и жарким климатом) в регионах с высокой заболеваемостью (более 25%) кариесом зубов. Фторирование воды исключает другие способы введения фтора в организм. Основной способ фторирования питьевой воды – добавление наиболее дешевых, хорошо растворимых в воде, нетоксичных и не содержащих вредных примесей фторида натрия NaF, кремнефтористого натрия Na2SiF6 или аммония (NH4)2SiF6. На водопроводных станциях соединения фтора вводят в воду после коагуляции, отстаивания и фильтрации; при использовании артезианской воды – в резервуар для хранения чистой воды.
При невозможности централизованного фторирования воды проводят фторирование воды в детских учреждениях (школах и пр.) на фтораторных установках до конечной концентрации в 4-5 раз превышающей оптимальную, т.к. дети употребляют эту воду только во время присутствия в школе (но не более 4-6 часов в сутки). Метод контроля поступления фторидов в организм (П) основан на определении суточной экскреции фторидов с мочой (Э) и рассчитывается для каждого индивидуума по формуле: П = Э×К, где П – суточное поступление фторидов в организм, Э - суточная экскреция фторидов с мочой, определяемая экспериментально, К – коэффициент экскреции фторидов, зависящий от возраста (табл. 34).
Сопротивляемость эмали зубов кариесу при фторировании воды увеличивается за счет образования фтор-апатита в составе зубной эмали. Из обобщенной формулы апатита 3×Ca3(PO4)2×CaX2, где Х – F-, Cl-, OH-, видно, что при увеличении фторидов в организме увеличивается образование фтор-апатита (F- является химически активным элементом и при увеличении его содержания в организме ион F- вытесняет Cl- и OH-). Эффективность фторирования проявляется на гладких поверхностях зубов, в меньшей степени – на проксимальных, в щелях и фиссурах; на фронтальных зубах – в меньшей степени, чем на жевательных. В результате заболеваемость кариесом снижается до 35-40% (по Э.М.Кузьминой). Кроме того, фтор в безопасных количествах снижает накопление в организме стронция-90, одного из наиболее опасных продуктов деления урана при ядерном взрыве, снижая способность кристаллов костной ткани удерживать стронций, что уменьшает вероятность внутреннего облучения. В настоящее время около 5% населения планеты (около 300 млн. чел.) пьет фторированную воду.
Таблица 34. Коэффициенты для расчета поступления фторидов в организм по суточной экскреции с мочой
| Возрастная группа | Выведение фторидов с мочой относительно поступившего количества, % | Коэффициент для расчета поступления фторидов в организм по формуле П=Э×К |
| До 15 лет | 1,00 | |
| От 16 до 19 лет | 1,80 | |
| Старше 19 лет | 1,66 |
Дефторирование применяется для воды, содержащей фториды в концентрации более 1,5 мг/л (в зонах с холодным и умеренным климатом) и более 1,2 мг/л (в зонах с теплым и жарким климатом). Повышенное содержание фторидов питьевой воде наблюдается, как правило, при местном водоснабжении, в областях недавно действующих вулканов и там, где почва богата соединениями F (виллиомит NaF, флюорит и плавиковый шпат CaF, селлаит – MgF2, фтор-апатит - 3Ca3(PO4)2×Ca(F,Cl)2). Потребление питьевой воды, растительной и животной пищи с повышенным содержанием фтористых соединений ведет к задержке солей фтора в костях зубов с замещением растворимых солей кальция на нерастворимые соединения кальция и фтора. Эндемический флюороз является системным заболеванием, при котором изменяется структура костной ткани (остеосклероз), приводящая к деформации костей. Появление непрозрачных пятен на эмали зубов (признак флюороза) имеет место при превышении содержания фтора в зубной эмали в 3-5 раз. Частота флюороза значительно увеличивается при концентрации фторидов в питьевой воде 2 ppb (мг/л), общий флюороз с кальцификацией связок наблюдается при 8 ppb. Дефторирование является основной организационно-технической профилактической мерой, направленной на предупреждение эндемического флюороза зубов в геохимических провинциях с заболеваемостью эндемическим флюорозом.
Способы дефторирования: 1). Смешение воды из разных источников, характеризующихся повышенным (вода из местных источников водоснабжения) и пониженным (привозная вода) содержанием фторидов;
2). Коагуляция сульфатом алюминия с последующим отстаиванием в течение 4-6 часов до полного осаждения хлопьев; 3). Фильтрация через активную окись алюминия Al2O3; 4). Фильтрация через анионообменные смолы с целью замещения F- на другие анионы.
Дезактивация применяется для воды, загрязненной радиоактивными изотопами химических элементов, и базируется как на дистилляции воды, так и других способах в зависимости от природы и степени радиоактивного загрязнения.