Источники водоснабжения, их санитарно - гигиеническая характеристика
Для целей водоснабжения могут быть использованы открытые водоемы, подземные и атмосферные воды.
Выбор источника водоснабжения устанавливается на основании следующих данных:
— характеристика санитарного состояния места размещения водозаборных сооружений и прилегающей территории (для подземных источников водоснабжения);
— характеристика санитарного состояния места водозабора и самого источника выше и ниже водозабора (для поверхностных источников водоснабжения);
— оценка качества воды источника водоснабжения;
— определение степени природной и санитарной надежности и прогноза санитарного состояния.
Пригодность источника для хозяйственно-питьевого водоснабжения и места водозабора устанавливают органы государственной санитарно-эпидемиологической службы министерств здравоохранения.
При оценке пригодности места водозабора и источника в целом учитываются следующие данные:
— краткая характеристика населенного пункта;
— ситуационный план, на котором обозначено место предполагаемого водозабора;
— схема проектируемого централизованного хозяйственнопитьевого водоснабжения;
— указание суточного уровня водопотребления с расчетом на перспективу;
— данные о качестве воды источника.
Помимо этих общих положений, отдельно дается оценка пригодности места водозабора для поверхностных и подземных водоисточников, а именно:
— при подземном водоисточнике необходимо учитывать гидрогеологическую характеристику используемого водоносного горизонта, наличие и характер перекрывающих его слоев и степень их водонепроницаемости, зону питания, соответствие дебита источника намеченному водоотбору, санитарную характеристику местности в районе водозабора, существующие и потенциальные источники загрязнения;
— при выборе водоисточника из поверхностных водоемов необходимо обращать внимание на гидрологические данные, минимальные и средние расходы воды, соответствие их предполагаемому водозабору, санитарную характеристику бассейна, наличие промышленных, бытовых, сельскохозяйственных и других объектов, их развитие в будущем.
4.7.1. Открытые водоемы
Открытые водоемы (наземные воды) делятся на естественные (реки, озера) и искусственные (водохранилища, каналы). Их формирование происходит главным образом за счет поверхностного стока, атмосферных, талых, ливневых вод и в меньшей степени за счет питания подземными водами. У некоторых водоемов питание может быть смешанным.
Характерной чертой открытых водоемов является наличие большой водной поверхности, которая непосредственно соприкасается с атмосферой и находится под воздействием лучистой энергии солнца, что создает благоприятные условия для развития водной флоры и фауны, активного течения процессов самоочищения. Однако вода открытых водоемов подвержена опасности загрязнения различными химическими веществами и микроорганизмами, особенно вблизи крупных населенных пунктов и промышленных предприятий.
С целью водоснабжения наиболее часто используются реки, которые представляют собой естественные стоки родников, болот, озер, ледников. Речные воды характеризуются большим количеством взвешенных веществ, низкой прозрачностью и большой микробной обсемененностью.
Озера и пруды представляют собой различной величины и формы котлованы, пополняющиеся водой главным образом за счет атмосферных осадков, родников. На дне образуются значительные илистые отложения за счет выпадения взвешенных частиц. Пруды и озера могут бьггь использованы для водоснабжения в небольших сельских населенных пунктах лишь в том случае, если подземные воды залегают очень глубоко. Эти водоисточники менее пригодны для питьевых целей, так как значительно подвержены загрязнению и обладают слабовыражен - ной способностью самоочищения. В них часто наблюдается цветение за счет развития водорослей, что ухудшает органолептические свойства воды. Эти воды небезопасны в эпидемиологическом отношении.
Искусственные водохранилища (или зарегулированные водоемы) создаются путем сооружения плотин, задерживающих водоотгок. Чаще всего имеют комплексное назначение (промышленное, энергетическое, для целей водоснабжения и др.). Устраиваются на реках, что сопровождается затоплением прилегающих огромных территорий. Качество воды в таких водохранилищах в значительной мере зависит от состава речных, талых и грунтовых вод, участвующих в их формировании.
Большое влияние на качество воды в водохранилище, особенно в первые годы его эксплуатации, оказывает санитарная подготовка его ложа (дна). Только полная и тщательная санитарная обработка всей затапливаемой территории, удаление растительности, уборка и дезинфекция земельного участка, занимаемого населенным пунктом, особенно кладбищ, больниц, скотомогильников и др., могут гарантировать эпидемиологическую безопасность и хорошие органолептические свойства воды. В условиях застойного режима, особенно летом, наблюдается "цветение" водохранилищ за счет развития сине-зеленых водорослей. Продукты распада водорослей (аммиак, индол, скатол, фенолы) ухудшают органолептические свойства воды.
Открытые водоемы характеризуются непостоянством химического и бактериального состава, резко меняющегося в зависимости от сезонов года и атмосферных осадков. Они отличаются небольшим содержанием солей и значительным количеством взвешенных и коллоидных веществ.
При оценке открытых источников водоснабжения большое внимание уделяется флоре и фауне водоемов, так как известно, что в водоеме может находиться большое количество низших растений и животных, влияющих на качество воды. Вследствие этого водная флора и фауна используются в качестве показательных организмов, чувствительных к изменению условий жизни водоема. Эти биологические организмы называются са - пробными (варгс« — гнилостный). Существуют четыре степени (зоны) сапробности: полисапробная, а-мезосапробная, р-мезо - сапробная и олигосапробная. Каждой зоне сапробности соответствуют свои условия жизни, степень загрязненности, содержание в воде органических веществ, кислорода, наличие животных и растительных форм (рис. 4.1).
Полисапробная зона характеризуется сильным загрязнением воды, отсутствием кислорода, восстановительными процессами. Окислительные процессы отсутствуют. Отмечается большое количество белковых веществ, распадающихся в анаэробных условиях. В полисапробных зонах флора и фауна крайне бедны. Обитает мало видов и преобладает один вид, наиболее устойчивый к этим условиям. Происходит интенсивное размножение микроорганизмов, их число измеряется многими сотнями тысяч и миллионами в 1 мл. Водные цветковые растения и рыбы отсутствуют.
а-Мезосапробная зона по степени загрязнения воды приближается к полисапробной, условия разложения белка в значительной степени анаэробные, но отмечаются и аэробные. Количество бактерий исчисляется сотнями тысяч в 1 мл. Цветковые растения редки, но имеются водоросли и простейшие.
Р-Мезосапробная зона имеет среднюю степень загрязнения. Окислительные процессы преобладают над восстановительными и поэтому вода не загнивает. Количество органических веществ сравнительно невелико, так как они минерализуются почти до конца. Число бактерий в 1 мл воды измеряется десятками тысяч. Появляются инфузории, разнообразные виды рыб.
Олигосапробная зона характеризуется практически чистой водой, пригодной для водоснабжения. В воде отсутствуют процессы восстановления, органические вещества полностью минерализованы, много кислорода. Число бактерий не превышает 1000 в 1 мл воды. Флора и фауна весьма разнообразны, интенсивно развиваются различные водоросли, появляются моллюски, ракообразные, насекомые. Много цветковых растений и рыб.
При санитарно-гигиенической оценке открытых водоемов большое значение имеют и другие исследования, в частности гельминтологические.
4.7.2. Подземные воды
Подземные воды образуются главным образом за счет фильтрации атмосферных осадков через почву. Небольшая часть их образуется в результате фильтрации воды открытых водоемов (рек, озер, водохранилищ и т. д.) через русло.
Накопление и движение подземных вод зависят от строения пород, которые по отношению к воде разделяются на водоупорные (водонепроницаемые) и водопроницаемые. Водоупорными породами являются гранит, глина, известняк; к водопроницаемым относятся песок, гравий, галечник, трещиноватые породы. Вода заполняет поры и трещины этих пород. Подземные воды по условиям залегания делятся на почвенные, грунтовые и меж - пластовые (рис. 4.2).
Почвенные воды (поверхностные, или верховодка) наиболее близко залегают к земной поверхности в первом водоносном горизонте, не имеют защиты в виде водоупорного слоя, поэтому состав их резко меняется в зависимости от гидрометеорологических условий. Больше всего почвенных вод накапливается весной, летом они высыхают, зимой промерзают, легко подвергаются загрязнению, так как находятся в зоне просачивания атмосферных вод, поэтому использовать почвенные воды с целью водоснабжения не следует.
Состояние почвенных вод может оказывать влияние на качество грунтовых вод, расположенных ниже почвенных.
Грунтовые воды располагаются в последующих водоносных горизонтах; они скапливаются на первом водонепроницаемом слое, не имеют водоупорного слоя сверху и поэтому между ними и почвенными водами происходит водообмен. Грунтовые воды безнапорные, их уровень в колодце устанавливается на уровне подземного слоя воды. Образуются они за счет просачивания атмосферных осадков и уровень вод подвержен большим колебаниям в различные годы и сезоны. Грунтовые воды отличаются более или менее постоянным составом и лучшим качеством, чем поверхностные. Фильтруясь через довольно значительный слой почвы, они становятся бесцветными, прозрачными, свободными от микроорганизмов. Глубина их залегания в различных местностях колеблется от 2 м до нескольких десятков метров. Грунтовые воды являются наиболее распространенными источниками водоснабжения в сельских местностях.
В предупреждении загрязнения грунтовых вод большую роль играет санитарная охрана почвы.
Забор воды производится с помощью колодцев (шахтные, трубчатые и др.). Некоторые из них иногда используются для небольших водопроводов.
В прибрежных местностях грунтовые воды могут иметь гидравлическую связь с водами рек и других открытых водоемов. В этих случаях происходят просачивание речной воды в грунтовый слой и увеличение количества грунтовой воды. Эти воды называются подрусловыми. Подрусловые воды иногда используются в питьевых целях путем устройства инфильтрационных колодцев. Однако вследствие связи с открытым водоемом состав воды в них непостоянен и менее надежен в санитарном отношении, чем в хорошо защищенных грунтовых слоях.
В местности с пересеченным рельефом на склонах гор или в глубине больших оврагов грунтовые воды могут выходить на поверхность в виде родников. Эти родники называются безнапорными, или нисходящими. Родниковая вода по составу и качеству не отличается от питающей ее грунтовой воды и может быть использована для целей водоснабжения.
Межпластовые воды представляют собой подземные воды, заключенные между двумя водонепроницаемыми породами. Они имеют как бы непроницаемую крышу и ложе, полностью заполняют пространство между ними и передвигаются под давлением. Поэтому такие воды благодаря напору снизу могут высоко подниматься в колодцах, а иногда самопроизвольно фонтанировать (артезианские воды). Водонепроницаемая кровля надежно изолирует их от просачивания атмосферных осадков и вышерасположенных грунтовых вод. Питание межпластовых вод происходит в местах выхода на поверхность водоносного слоя. Эти места часто находятся далеко от места пополнения основных запасов межпластовой воды. Вследствие глубокого залегания межпластовые воды имеют устойчивые физические свойства и химический состав. Малейшее колебание их качества можно рассматривать как признак санитарного неблагополучия. Загрязнение межпластовых вод происходит крайне редко при нарушении целости водоупорных слоев, а также при отсутствии надзора за старыми, уже используемыми скважинами. Межпластовые воды могут иметь естественный выход на поверхность в виде восходящих ключей или родников. Их образование связано с тем, что водоупорный слой, расположенный над водоносным, прерывается оврагом. Качество родниковой воды не отличается от питающих ее межпластовых вод.
4.7.3. Атмосферные осадки
Атмосферные осадки образуются в результате сгущения водяных паров атмосферы и выпадения их на землю в виде дождя, содержат небольшое количество солей кальция, магния и поэтому являются очень мягкими. В качестве источника водоснабжения атмосферные осадки используются редко, главным образом в безводных, засушливых местах, т. е. там, где нет открытых водоемов, а получение подземных вод затруднено вследствие их глубокого залегания. При использовании осадков для питьевых целей сбор их должен производиться с соблюдением санитарных правил, в чистые емкости, надежно защищенные от внешних загрязнений. Ввиду того что атмосфера промышленных городов может быть загрязнена различными кислотами, солями натрия, кальция, магния, сажей, пылью, микроорганизмами, атмосферные осадки могут загрязняться и становятся непригодными для питья.
Качество атмосферных осадков зависит также от климатических условий и от того, когда была собрана вода — во время обильных дождей или в период засухи.
Талые воды, образующиеся после таяния снега и льда, используют крайне редко в безводных местах. Загрязняются они так же, как атмосферные.
При выборе источников водоснабжения необходимо провести их сравнительную санитарно-гигиеническую оценку и решить этот вопрос конкретно, с учетом местных условий.
Исходя из основных гигиенических принципов, в качестве источника водоснабжения должен быть выбран тот, который в своем естественном состоянии более всего приближается к требованиями СанПиН 2.1.4.1074—01. Наиболее предпочтительным источником являются межпластовые артезианские воды, так как они настолько чисты, что не нуждаются в мероприятиях по очистке и обеззараживанию, требующих специальных сооружений, обслуживающего персонала, больших экономических затрат на строительство и эксплуатацию. Кроме того, они являются напорными, самоизливающимися, что также удобно и экономично. К сожалению, использование таких вод часто затрудняется вследствие большой глубины залегания, недостаточного дебита (особенно для крупных городов), технико-эко- номических и других трудностей.
Использование больших открытых водоемов (полноводные реки, водохранилища), несмотря на их опасность в эпидемиологическом отношении, наиболее целесообразно для водоснабжения большинства городов.
Очистка и обеззараживание их на современных хорошо оборудованных водопроводных станциях под контролем государственной санитарно-эпидемиологической службы и при тщательном соблюдении требований СанПиН 2.1.4.1074—01 создают гарантию чистоты воды в эпидемиологическом и санитарно - гигиеническом отношении.
Все возрастающая потребность больших городов в питьевой и хозяйственной воде удовлетворяется в настоящее время за счет создания системы водохранилищ, а также переброски речной воды.
В перспективном водоснабжении городов переброска вод будет играть значительную роль. Не исключено также использование опресненной (морской) воды.
При невозможности их применения, учитывая качество воды, водоисточники следует выбирать в такой последовательности: межпластовые безнапорные, грунтовые, открытые водоемы.
В зависимости от класса "Источника" устанавливается соответствующая технологическая схема обработки воды.
4.2. Системы водоснабжения, их санитарно - гигиеническая характеристика
В настоящее время используют 2 системы водоснабжения:
• централизованная, при которой вода подается в жилые дома, учреждения, предприятия бытового обслуживания и т. д.;
• нецентрализованная (местная), при которой потребитель сам берет воду непосредственно из водоисточника.
4.8.1.Централизованное водоснабжение
Централизованное водоснабжение осуществляется путем устройства водопровода. Современный водопровод может применять воду открытых водоемов и воду подземных источников (межпластовую).
Централизованное водоснабжение из подземных водоисточников организуется главным образом для поселков городского типа, небольших городов и населенных пунктов. В некоторых крупных городах имеется комбинированная система водоснабжения из подземных и поверхностных водоисточников. Преимущество водопровода из подземного водоисточника заключается в том, что отпадает необходимость подвергать воду очистке и обеззараживанию, так как она надежно защищена от загрязнения водоупорными слоями; водозабор расположен в самом населенном пункте или в непосредственной близости от него. Если подземные воды отвечают требованиям СанПиН 2.1.4.1074—01, они используются без обработки. При этом схема водопровода весьма проста (рис. 4.3). Он состоит из скважины, насосов первого подъема, поднимающих воду в водосборный резервуар, сборного (или запасного) резервуара, насоса второго подъема, который выкачивает воду из сборного резервуара и подает ее в разводящую сеть. По ходу разводящей сети устанавливается водонапорный резервуар.
Для забора воды сооружаются вертикальные скважины, горизонтальные водозаборы (галереи, трубчатые водосборы), каптажи выходов подземных вод.
Выбор типа водозабора определяется глубиной и условиями залегания подземных вод, характером пород, величиной давления в пласте, мощностью водоносного пласта и количеством воды.
Скважины (трубчатые колодцы) представляют собой вертикальные каналы, доходящие до водоносного слоя. По мере бурения, для того чтобы земля не осыпалась, в шахту вставляют обсадные кольца, укрепляющие ее стенки.
Из водоносного горизонта вода поступает в приемную часть скважины, снабженную фильтром. Он задерживает частицы породы из водоносного пласта. Устье скважины (наземная часть обсадной трубы) должно быть оборудовано герметично в целях предупреждения загрязнений. Для откачивания воды из скважины устанавливают насос. Наиболее целесообразно использование центробежного насоса, эрлифта (воздушные водоприемники и др.).
Из артезианских скважин воду собирают в подземных резервуарах запасной воды (рис. 4.4), которые должны быть устроены в соответствии с гигиеническими требованиями и в процессе эксплуатации быть безопасными в санитарном и эпидемиологическом отношении.
Горизонтальные водозаборы (рис. 4.5) состоят из водоприемной части, получающей воду из водоносного горизонта, отводящей части — для отвода забранной воды самотеком в водосборный колодец, и насосной станции. Сооружаются при небольшой мощности потока подземных вод и неглубоком залегании водоносного пласта.
Вода при использовании водопровода, основанного на горизонтальном водозаборе, менее надежна в санитарном и эпидемиологическом отношении, так как вследствие неглубокого залегания может легко загрязняться с поверхности. При употреблении такой воды для хозяйственно-питьевого водоснабжения ее следует подвергать обеззараживанию.
Каптажные устройства применяются для захвата подземных вод, выходящих на поверхность в виде родников. Забор воды из восходящего родника производится через дно каптажной камеры, из нисходящего — через отверстие в стене камеры. При устройстве каптажа необходимо соблюдать санитарные требования. Прежде всего прием воды в камеру должен быть оборудован фильтром для того, чтобы частицы породы не проникали в воду и не загрязняли ее. Камера должна быть защищена от поверхностных загрязнений, промерзания и затопления поверхностными водами. Для этого следует оборудовать каптажную камеру водоотводными трубами, укрепить ее, замостить вокруг территорию водонепроницаемыми материалами.
Если качество воды при ее каптировании с целью хозяйственно-питьевого водоснабжения не соответствует СанПиН
2.1.4.1074— 01, необходимо предусмотреть соответствующую обработку перед подачей ее в водопроводную сеть.
Централизованное водоснабжение из открытых водоемов. Оно организуется путем сооружения водопроводной сети, состоящей из:
— водозаборных сооружений;
— сооружения для улучшения качества воды (главным образом для очистки и обеззараживания);
— распределительной сети.
Весь комплекс сооружений до распределительной сети называется головными сооружениями водопровода (рис. 4.7).
Для забора воды из открытого водоема пользуются специальным приемником. Месторасположение приемного отверстия трубы должно быть тщательно выбрано и максимально удалено от берега, поверхности и дна водоема, что устраняет опасность загрязнения воды непосредственно в момент ее забора. Приемник может быть устроен в виде берегового колодца или ковша. Далее при помощи насосов первого подъема вода подается на очистные сооружения, где улучшаются ее свойства.
Основной задачей обработки воды на водопроводной станции является улучшение ее органолептических свойств за счет освобождения от взвешенных и коллоидных примесей, уничтожения микроорганизмов для создания гарантии безопасности в эпидемиологическом отношении, а также изменение ее органолептических и химических свойств, если в этом есть необходимость (дезодорация, фторирование, обезжелезивание, умягчение, опреснение и др.).
Обработка воды на водопроводной станции осуществляется в несколько этапов.
4.8.2. Методы улучшения качества воды
Использование природных вод открытых водоемов, а иногда и подземных вод в целях хозяйственно-питьевого водоснабжения практически невозможно без предварительного улучшения свойств воды и ее обеззараживания. Чтобы качество воды соответствовало гигиеническим требованиям, применяют предварительную обработку, в результате которой вода освобождается от взвешенных частиц, запаха, привкуса, микроорганизмов и различных примесей. Такое улучшение свойств воды достигается на водопроводных станциях.
Для улучшения качества воды применяются следующие методы: 1) очистка — удаление взвешенных частиц; 2) обеззараживание — уничтожение микроорганизмов; 3) специальные методы улучшения органолептических свойств воды, умягчение, удаление некоторых химических веществ, фторирование и др.
Очистка воды. Очистка является важным этапом в общем комплексе методов улучшения качества воды, так как улучшает ее физические и органолептические свойства. При этом в процессе удаления из воды взвешенных частиц удаляется и значительная часть микроорганизмов, в результате чего полная очистка воды позволяет легче и экономичнее осуществлять обеззараживание. Очистка осуществляется механическим (отстаивание), физическим (фильтрование) и химическим (коагуляция) методами.
Отстаивание, при котором происходит осветление и частичное обесцвечивание воды, осуществляется в специальных сооружениях — отстойниках. Используются две конструкции отстойников: горизонтальные и вертикальные. Принцип их действия состоит в том, что благодаря поступлению через узкое отверстие и замедленному протеканию воды в отстойнике основная масса взвешенных частиц оседает на дно. Процесс отстаивания в отстойниках различной конструкции продолжается в течение 2— 8 ч. Однако мельчайшие частицы, в том числе значительная часть микроорганизмов, не успевают осесть. Поэтому отстаивание нельзя рассматривать как основной метод очистки воды.
Фильтрация — процесс более полного освобождения воды от взвешенных частиц, заключающийся в том, что воду пропускают через фильтрующий мелкопористый материал, чаще всего через песок с определенным размером частиц. Фильтруясь, вода оставляет на поверхности и в глубине фильтрующего материала взвешенные частицы. На водопроводных станциях фильтрация применяется после коагуляции. В санитарной практике используются медленные и быстрые фильтры, фильтр АКХ (Академии коммунального хозяйства).
В настоящее время начали применяться кварцево-антрацитовые фильтры, значительно увеличивающие скорость фильтрации.
Для предварительной фильтрации воды используются микрофильтры для улавливания зоопланктона — мельчайших водных животных, и фитопланктона — мельчайших водных растений. Эти фильтры устанавливают перед местом водозабора или перед очистными сооружениями.
Коагуляция представляет собой химический метод очистки воды. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет освободить воду от загрязнений, находящихся в виде взвешенных частиц, не поддающихся удалению с помощью отстаивания и фильтрации. Сущность коагуляции заключается в добавлении к воде химического вещества — коагулянта, способного реагировать с находящимися в ней бикарбонатами. В результате этой реакции образуются крупные, довольно тяжелые хлопья, несущие положительный заряд. Оседая вследствие собственной тяжести, они увлекают за собой находящиеся в воде во взвешенном состоянии частицы загрязнений, заряженные отрицательно, и тем самым способствуют довольно быстрой очистке воды. За счет этого процесса вода становится прозрачной, улучшается показатель цветности.
В качестве коагулянта в настоящее время наиболее широко применяется сульфат алюминия, образующий с бикарбонатами воды крупные хлопья гидроксида алюминия. Для улучшения процесса коагуляции используются высокомолекулярные флоккулянты: щелочной крахмал, флоккулянты ионного типа, активизированная кремниевая кислота и другие синтетические препараты, производные акриловой кислоты, в частности полиакриламид (ПАА).
В настоящее время в водопроводной системе применяется установка, заменяющая весь комплекс очистных сооружений обычного типа и работающая по схеме: коагуляция — отстаивание — фильтрация. Она называется контактным осветлителем и представляет собой бетонный резервуар, заполненный гравием и песком на высоту 2,3—2,6 м. Вода подается через систему труб в нижнюю часть осветлителя, а коагулянт вводится непосредственно в трубопровод перед поступлением воды в осветлитель. Коагуляция происходит в нижних крупнозернистых частях осветлителя, а в верхних задерживаются хлопья коагулянта и другие взвешенные вещества.
Обеззараживание. Уничтожение микроорганизмов является последним завершающим этапом обработки воды, обеспечивающим ее эпидемиологическую безопасность. Для обеззараживания воды применяются химические (реагентные) и физические (безреа - гентные) методы. В лабораторных условиях для небольших объемов воды может быть использован механический метод.
Химические (реагентные) методы обеззараживания основаны на добавлении к воде различных химических веществ, вызывающих гибель находящихся в воде микроорганизмов. Эти методы достаточно эффективны. В качестве реагентов могут быть использованы различные сильные окислители: хлор и его соединения, озон, йод, перманганат калия, некоторые соли тяжелых металлов, серебро.
В санитарной практике наиболее надежным и испытанным способом обеззараживания воды является хлорирование. На водопроводных станциях оно производится при помощи газообразного хлора и растворов хлорной извести. Кроме этого, могут использоваться такие соединения хлора, как гипохлорат натрия, гипохлорит кальция, двуокись хлора.
Механизм действия хлора заключается в том, что при добавлении его к воде он гидролизуется, в результате чего происходит образование хлористоводородной и хлорноватистой кислот:
С12 + Н20 = НС1 + НОС1.
Хлорноватистая кислота в воде диссоциирует на ионы водорода (Н) и гипохлоритные ионы (ОС1), которые наряду с диссоциированными молекулами хлорноватистой кислоты обладают бактерицидным свойством. Комплекс (НОС1 + ОС1) называется свободным активным хлором.
Бактерицидное действие хлора осуществляется главным образом за счет хлорноватистой кислоты, молекулы которой малы, имеют нейтральный заряд и поэтому легко проходят через оболочку бактериальной клетки. Хлорноватистая кислота воздействует на клеточные ферменты, в частности на ЗН-группы, нарушает обмен веществ микробных клеток и способность микроорганизмов к размножению. В последние годы установлено, что бактерицидный эффект хлора основан на угнетении ферментов — катализаторов окислительно-восстановительных процессов, обеспечивающих энергетический обмен бактериальной клетки.
Обеззараживающее действие хлора зависит от многих факторов, среди которых доминирующими являются биологические особенности микроорганизмов, активность действующих препаратов хлора, состояние водной среды и условия, в которых производится хлорирование.
Процесс хлорирования зависит от стойкости микроорганизмов. Наиболее устойчивыми являются спорообразующие. Среди неспоровых отношение к хлору различное, например брюшнотифозная палочка менее устойчива, чем палочка паратифа, и т. д. Важным является массивность микробного обсеменения: чем она выше, тем больше хлора нужно для обеззараживания воды. Эффективность обеззараживания зависит от активности используемых хлорсодержащих препаратов. Так, газообразный хлор более эффективен, чем хлорная известь.
Большое влияние на процесс хлорирования оказывает состав воды; процесс замедляется при наличии большого количества органических веществ, так как большее количество хлора уходит на их окисление, и при низкой температуре воды. Существенным условием хлорирования является правильный выбор дозы. Чем выше доза хлора и чем продолжительнее его контакт с водой, тем более высоким будет обеззараживающий эффект.
Хлорирование производится после очистки воды и является заключительным этапом ее обработки на водопроводной станции. Иногда для усиления обеззараживающего эффекта и для улучшения коагуляции часть хлора вводят вместе с коагулянтом, а другую часть, как обычно, после фильтрации. Такой метод называется двойным хлорированием.
Различают обычное хлорирование, т. е. хлорирование нормальными дозами хлора, которые устанавливаются каждый раз опытным путем, суперхлорирование, т. е. хлорирование повышенными дозами.
Хлорирование нормальными дозами применяется в обычных условиях на всех водопроводных станциях. При этом большое значение имеет правильный выбор дозы хлора, что обусловливается степенью хлорпоглощаемости воды в каждом конкретном случае.
Для достижения полного бактерицидного эффекта определяется оптимальная доза хлора, которая складывается из количества активного хлора, которое необходимо для: а) уничтожения микроорганизмов; б) окисления органических веществ и количества хлора, которое должно остаться в воде после ее хлорирования для того, чтобы служить показателем надежности хлорирования. Это количество называется свободным остаточным хлором. Его норма 0,3—0,5мг/л, при остаточном связанном хлоре 0,8—1,2 мг/л. Необходимость нормирования этих количеств связана с тем, что при наличии свободного остаточного хлора менее 0,3 мг/л его может быть недостаточно для обеззараживания воды, а при дозах выше 0,5 мг/л вода приобретает неприятный специфический запах хлора.
Главными условиями эффективного хлорирования воды являются перемешивание ее с хлором, контакт между обеззараживаемой водой и хлором в течение 30 мин в теплое время года и 60 мин в холодное время.
На крупных водопроводных станциях для обеззараживания воды применяется газообразный хлор. Для этого жидкий хлор, доставляемый на водопроводную станцию в цистернах или баллонах, перед применением переводится в газообразное состояние в специальных установках — хлораторах, с помощью которых обеспечиваются автоматическая подача и дозирование хлора. Наиболее часто хлорирование воды производится 1 % раствором хлорной извести. Хлорная известь представляет собой продукт взаимодействия хлора и гидроксида кальция в результате реакции:
2Са(ОН)2 + 2С12 = Са(ОС1)2 + СаС12 + 2Н20.
Техническая хлорная известь содержит обычно около 35 % активного хлора. При хранении ее в сыром помещении, на свету и при высокой температуре она разлагается и значительно снижает свою активность. Для обеззараживания воды допускается использование хлорной извести, содержащей не менее 25 % активного хлора. Поэтому, прежде чем использовать хлорную известь для хлорирования воды, необходимо определить в ней процентное содержание активного хлора.
Суперхлорирование (гиперхлорирование) воды проводится по эпидемиологическим показаниям или в условиях, когда невозможно обеспечить необходимый контакт воды с хлором (в течение 30 мин). Обычно оно применяется в военно-полевых условиях, экспедициях и других случаях и производится дозами, в 5—10 раз превышающими хлорпоглощаемость воды, т. е. 10— 20 мг/л свободного хлора. Время контакта между водой и хлором при этом сокращается до 15—10 мин. Суперхлорирование имеет ряд преимуществ. Основными из них являются значительное сокращение времени хлорирования, упрощение его техники, так как нет необходимости определять остаточный хлор и дозу, и возможность обеззараживания воды без предварительного освобождения ее от мути и осветления. Недостатком гиперхлорирования является сильный запах хлора, но его можно устранить добавлением к воде тиосульфата натрия, активированного угля, сернистого ангидрида и других веществ (дехлорирование).
На водопроводных станциях иногда проводят хлорирование с преаммонизацией. Этот метод применяется в тех случаях, когда обеззараживаемая вода содержит фенол или другие вещества, которые придают ей неприятный запах. Для этого в обеззараживаемую воду вначале вводят аммиак или его соли, а затем, через 1—2 мин, — хлор. При этом образуются хлорамины, обладающие сильным бактерицидным свойством.
К химическим методам обеззараживания воды относится озонирование. Озон является нестойким соединением. В воде он разлагается с образованием молекулярного и атомарного кислорода, с чем связана сильная окислительная способность озона. В процессе его разложения образуются свободные радикалы ОН и Н02, обладающие выраженными окислительными свойствами. Озон имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, поэтому его реакция с органическими веществами, находящимися в воде, происходит более полно, чем у хлора. Механизм обеззараживающего действия озона аналогичен действию хлора: являясь сильным окислителем, озон повреждает жизненно важные ферменты микроорганизмов и вызывает их гибель. Имеются предположения, что он действует как протоплазматический яд.
Преимущество озонирования перед хлорированием заключается в том, что при этом способе обеззараживания улучшаются вкус и цвет воды, поэтому озон может быть использован одновременно для улучшения ее органолептических свойств. Озонирование не оказывает отрицательного влияния на минеральный состав и pH воды. Избыток озона превращается в кислород, поэтому остаточный озон не опасен для организма и не влияет на органолептические свойства воды. Контроль за озонированием менее сложен, чем за хлорированием, так как озонирование не зависит от таких факторов, как температура, pH воды и т. д. Для обеззараживания воды необходимая доза озона в среднем равна 0,5—6 мг/л при экспозиции 3—5 мин. Озонирование производится при помощи специальных аппаратов — озонаторов.
При химических способах обеззараживания воды используют также олигодинамические действия солей тяжелых металлов (серебра, меди, золота). Олигодинамическим действием тяжелых металлов называется их способность оказывать бактерицидный эффект в течение длительного срока при крайне малых концентрациях. Механизм действия заключается в том, что положительно заряженные ионы тяжелых металлов вступают в воде во взаимодействие с микроорганизмами, имеющими отрицательный заряд. Происходит электроадсорбция, в результате которой они проникают в глубь микробной клетки, образуя в ней альбуминаты тяжелых металлов (соединения с нуклеиновыми кислотами), в результате чего микробная клетка погибает. Данный метод обычно применяется для обеззараживания небольших количеств воды.
Перекись водорода давно известна как окислитель. Ее бактерицидное действие связано с выделением кислорода при разложении. Метод применения перекиси водорода для обеззараживания воды в настоящее время еще полностью не разработан.
Химические, или реагентные, способы обеззараживания воды, основанные на добавлении к ней того или иного химического вещества в определенной дозе, имеют ряд недостатков, которые заключаются главным образом в том, что большинство этих веществ отрицательно влияет на состав и органолептические свойства воды. Кроме того, бактерицидное действие этих веществ проявляется после определенного периода контакта и не всегда распространяется на все формы микроорганизмов. Все это явилось причиной разработки физических методов обеззараживания воды, имеющих ряд преимуществ по сравнению с химическими. Безреагентные методы не оказывают влияния на состав и свойства обеззараживаемой воды, не ухудшают ее органолептических свойств. Они действуют непосредственно на структуру микроорганизмов, вследствие чего обладают более широким диапазоном бактерицидного действия. Для обеззараживания необходим небольшой период времени.
Наиболее разработанным и изученным в техническом отношении методом является облучение воды бактерицидными (ультрафиолетовыми) лампами. Наибольшим бактерицидным свойством обладают УФ-лучи с длиной волны 200—280 нм; максимум бактерицидного действия приходится на длину волны 254—260 нм. Источником излучения служат аргонно-ртутные лампы низкого давления (БУВ) и ртутно-кварцевые лампы (ПРК и РКС).
Для обеззараживания воды применяются специальные установки (напорные и безнапорные). Для обеззараживания большого объема воды используется установка ОВ-АКХ-1 большой производительности с применением бактерицидных ламп ПРК.
На небольших водопроводах используются аргонно-ртутные лампы низкого давления (БУВ-15, БУВ-30, БУВ-ЗОП). Обеззараживание воды наступает быстро, в течение 1—2 мин. При обеззараживании воды УФ-лучами погибают не только вегетативные формы микробов, но и споровые, а также вирусы, яйца гельминтов, устойчивые к воздействию хлора. Применение бактерицидных ламп не всегда возможно, так как на эффект обеззараживания воды УФ-лучами влияют мутность, цветность воды, содержание в ней солей железа. Поэтому, прежде чем обеззараживать воду таким способом, ее необходимо тщательно очистить.
Из всех имеющихся физических методов обеззараживания воды наиболее надежным является кипячение. В результате кипячения в течение 3—5 мин погибают все имеющиеся в ней микроорганизмы, а после 30 мин вода становится полностью стерильной. Несмотря на высокий бактерицидный эффект, этот метод не находит широкого применения для обеззараживания больших объемов воды. Его можно использовать в быту, детских учреждениях и т. д. Недостатком кипячения является ухудшение вкуса воды, наступающего в результате улетучивания газов, и возможность более быстрого развития микроорганизмов в кипяченой воде.
К физическим методам обеззараживания воды относится использование импульсного электрического разряда, ультразвука и ионизирующего излучения. В настоящее время эти методы широкого практического применения не находят.
Необходимость обеззараживания индивидуальных запасов воды (во фляге и т. д.) возникает в полевых, экспедиционных и других условиях. Для этой цели применяются главным образом химические методы. Обеззараживание производится специальными таблетками пантоцида (парадихлорсульфамидбензойная кислота), изготовленными из органических хлораминов. Одна таблетка должна содержать не менее 3 мг активного хлора. Обеззараживание воды наступает в течение 30 мин. Недостатком этих таблеток является продолжительное их растворение. Они плохо обеззараживают воду, содержащую гуминовые и другие органические вещества. Кроме таблеток пантоцида, применяются персульфатные таблетки, перекисные соединения в сочетании с солями серебра и меди, бисульфатпантоцидные таблетки и йодорганические соединения.
Специальные способы улучшения качества воды. Помимо основных методов очистки и обеззараживания воды, в некоторых случаях возникает необходимость производить специальную ее обработку. В основном эта обработка направлена на улучшение минерального состава воды и ее органолептических свойств.
Дезодорация — удаление посторонних запахов и привкусов. Необходимость проведения такой обработки обусловливается наличием в воде запахов, связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов, грибов, водорослей, продуктов распада и разложения органических веществ. С этой целью применяются такие методы, как озонирование, углевание, хлорирование, обработка воды перманганатом калия, перекисью водорода, фторирование через сорбционные фильтры, аэрация.
Дегазация воды — удаление из нее растворенных дур- нопахнущих газов. Для этого применяется аэрация, т. е. разбрызгивание воды на мелкие капли в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе, в результате чего происходит выделение газов.
Умягчение воды — полное или частичное удаление из нее катионов кальция и магния. Умягчение проводится специальными реагентами или при помощи ионообменного и термического методов.
Опреснение (обессоливание) воды чаще производится при подготовке ее к промышленному использованию. Частичное опреснение воды осуществляется для снижения содержания в ней солей до тех величин, при которых воду можно использовать для питья (ниже 1000 мг/л). Опреснение достигается дистилляцией воды, которая производится в различных опреснителях (вакуумные, многоступенчатые, гелиотермические), ио - нитовых установках, а также электрохимическим способом и методом вымораживания.
Обезжелезивание — удаление из воды железа производится аэрацией с последующим отстаиванием, коагулированием, известкованием, катионированием. В настоящее время разработан метод фильтрования воды через песчаные фильтры.
Обесфторивание — освобождение природных вод от избыточного количества фтора. С этой целью применяют метод осаждения, основанный на сорбции фтора осадком гидроокиси алюминия и других адсорбентов.
При недостатке в воде фтора ее фторируют. В случае загрязнения воды радиоактивными веществами ее подвергают дезактивации, т. е. удалению радиоактивных веществ.
4.8.3. Нецентрализованное водоснабжение
Местное, или нецентрализованное, водоснабжение распространено главным образом в сельской местности. Местное водоснабжение менее благоприятно в санитарном отношении, так как при нем создаются условия для загрязнения воды при ее получении и транспортировке. В небольших сельских населенных пунктах широко используются грунтовые воды. Для их забора сооружают различного типа колодцы, каптированные родники.
Каптаж (захват) родника представляет собой специальную камеру для сбора воды, изготовленную из бетона, железобетона, кирпича, камня или дерева. Для того чтобы вода в каптаже не поднималась выше необходимого уровня, устраиваются переливные трубы, отводящие избыток воды. Каптаж должен быть благоустроен в санитарном отношении, водонепроницаем, площадка вокруг него защищена, вокруг каптажной камеры сделан "глиняный замок", препятствующий протеканию с поверхности загрязненных вод. Воду из каптажа необходимо забирать только из водовода, удаленного максимально от сборного резервуара.
Другим способом получения воды при местном водоснабжении являются колодцы различного типа. Большое значение при устройстве колодца любого типа имеет выбор места его расположения. Колодец должен находиться на возвышенном чистом участке, на расстоянии не менее 25 м от уборных, мусоросборников, скотных дворов и других возможных источников загрязнения. Колодцы не следует располагать в местах большого скопления людей и животных.
Наиболее распространенным типом колодца является шахтный (рис. 4.8), представляющий собой шахту площадью около 1 м2, доходящую до второго водоносного слоя. Шахту укрепляют деревянными или бетонными кольцами, которые возвышаются над поверхностью земли на 1 м. Дно колодца покрывается слоем крупного песка, затем слоем мелкого песка, а сверху — крупного гравия толщиной 30 см. Вокруг колодца устраивается "глиняный замок", представляющий собой слой глины шириной 1 м и глубиной 1,5 м, препятствующий проникновению в колодец различных загрязнений с поверхности. Площадка вокруг колодца должна быть вымощена камнем или покрыта асфальтом, по краю вырыты водоотводные канавки. Колодец снабжается крышкой. Воду следует брать общественным ведром или откачивать насосом.
Кроме шахтных колодцев, при местном водоснабжении пользуются трубчатыми, которые могут обеспечить получение воды из глубоких слоев почвы, хорошо защищенных от проникновения загрязнений и поэтому более благополучных в санитарном отношении. Колодец периодически следует очищать. Если колодезная вода по бактериологическим показателям не соответствует санитарным требованиям, проводится ее хлорирование в специальной таре или непосредственно в колодце.
Эффективен метод обеззараживания воды в колодце при помощи дозирующих хлорсодержащих патронов, которые представляют собой цилиндрический сосуд из пористой керамики емкостью 250, 500 и 1000 мл. Патрон наполняют хлорсодержащим материалом (хлорная известь, гипохлорит кальция), закрывают керамической пробкой и подвешивают в колодце на 0,5 м ниже уровня воды. Пористые стенки патрона пропускают хлорсодержащее вещество в воду, в результате чего происходит ее обеззараживание.
Необходимо ежегодно после ремонта дезинфицировать сам колодец. Для этого предварительно выкачивают воду из колодца, очищают его стенки и дно от осадка и загрязнений, обмывают 3—5 % раствором хлорной извести. Затем колодец наполняют водой, добавляют в нее 1 % раствор хлорной извести из расчета одно ведро на 1 м3 воды, перемешивают и оставляют на 10—12 ч. После этого воду выкачивают до тех пор, пока она не утратит запаха хлора.
Источником местного водоснабжения могут служить пруды. В этом случае устраиваются колодцы, в которые вода фильтруется через береговой грунт.
Большое внимание уделяется водоснабжению полевых станов, так как в период сельскохозяйственных работ летом, в жаркое время, оно должно быть бесперебойным и качественным. Каждый полевой стан оборудуется пунктом водоснабжения, который представляет собой источник воды и тару для хранения ее запасов. При отсутствии источника водоснабжения на территории полевого стана воду подвозят к нему в бочках или автоцистернах. Тара должна быть хорошо закрыта, содержаться в чистоте и периодически хлорироваться. Храниться тара с водой должна в месте, недоступном для солнечных лучей. На каждом тракторе или комбайне должен быть бачок с кипяченой водой.