Гигиенические основы водоснабжения населенных мест.
В данном разделе лекции мы будем рассматривать вопросы хозяйственно – питьевого водоснабжения и не будем касаться технологического (производственного) потребления воды.
Под хозяйственно – бытовым водоснабжением понимается совокупность мероприятий и технических сооружений, которые:
1) обеспечивают население доброкачественной водой для питья;
2) позволяют широко использовать воду для гигиенических и бытовых целей;
3) удовлетворяют потребность в воде населенного пункта в целом в интересах санитарного и коммунального благоустройства.
Отличительный признак хозяйственно – питьевого водоснабжения – соответствие качества и количества воды гигиеническим нормативам.
Различают 2 вида водоснабжения – местное (децентрализованное, нецентрализованное) и централизованное. Основным признаком такого разделения служат способы разбора воды. При местном водоснабжении вода разбирается непосредственно из источника; примером такого водоснабжения являются колодцы. При централизованном водоснабжении (водопровод) воду забирают из поверхностных или подземных источников механическим путем и по сети труб доставляют под давлением к месту потребления.
Водопровод обеспечивает охрану воды от загрязнения, улучшение в случае необходимости ее природных качеств и беспрепятственное потребление в количествах, отвечающих санитарным нормам.
Все источники воды по происхождению делятся на 3 группы:
1) подземные;
2) поверхностные;
3) атмосферные.
Подземные водыобязаны своим происхождением фильтрации атмосферных осадков через почвенный покров или воды рек, озер через их русло. Дальнейшее движение воды и накопление в виде подземных бассейнов зависят от строения горных пород, через которые она протекает. По отношению к воде все горные породы делятся на водопроницаемые и водоупорные. К первым относятся песок, гравий, галечник, мел, известняк и др. Вода заполняет поры между частицами породы или трещины и передвигается в силу законов тяжести и капиллярности, постепенно заполняя водоносный слой. Водоупорные породы представлены сплошными залеганиями гранита, плотного песчаника и известняка, а также глинами. Пласты водопроницаемых и водоупорных пород залегают, чередуясь с большей или меньшей правильностью.
Подземные воды залегают до глубины 12 – 16 км. Их разделяют на безнапорные грунтовые воды и напорные артезианские (от названия французской провинции Артуа, где они были добыты в 12 веке).
Безнапорные грунтовые воды - этоводы, которые накапливаются в процессе фильтрации на первом от поверхности земли водоупорном пласте В колодце они устанавливаются на том же уровне, что и в подземном слое.
Запасы грунтовых вод образуются в течение длительного времени и в результате медленно происходящих на больших пространствах процессов фильтрации, а поэтому и уровень их стояния колеблется под влиянием смены времен года и погоды в сравнительно узких пределах.
В природных условиях грунтовые воды не загрязнены и вполне пригодны для питьевого водоснабжения, если их минерализация не превышает вкусового порога. Широко развитое колодезное водоснабжение в основном использует грунтовые воды.
Напорные артезианские воды иначе называют глубокими, межпластовыми. Их отличительная особенность – залегание ниже одного, двух или нескольких слоев водоупорных пород и отсутствие питания с поверхности непосредственно над ними. Водоносные артезианские слои (пласты, горизонты) постепенно из глубины выклиниваются на поверхность и здесь питаются атмосферными осадками. В связи с тем, что вода – практически несжимаемая жидкость, между водоупорными слоями она всегда находится под давлением.
Санитарные достоинства артезианских вод очень велики:
- они редко требуют дополнительного улучшения качества;
- обладают сравнительно устойчивым химическим составом и природной чистотой в бактериальном отношении;
- характеризуются высокой прозрачностью, бесцветностью, отсутствием взвешенных веществ;
- имеют приятный вкус.
При естественном выходе подземного водоносного слоя на поверхность образуются родники. Происходит это при падении рельефа, если водоносный слой разрезается оврагом, или при прорыве напорной воды вверх сквозь истончившиеся перекрывающие породы. Последний тип родника называется восходящим или равнинным, а первый – нисходящим.
Особую ценность представляют родники, происходящие из артезианских водных горизонтов. Их вода прохладная на вкус, отличается постоянством свойств и состава, а также бактериологически безупречной чистотой. Основная санитарная задача – предупреждать загрязнение воды в месте выхода ее на поверхность.
Береговые инфильтрационные воды. Фильтрация воды из открытых водоемов в подземные слои прилегающих к берегам территорий нередко служат важным источником формирования подземных вод в этих районах. Если берега сложены из проницаемых фильтрующих пород, то целесообразно устройство береговых колодцев. По такому принципу построен Окский водозабор, питающий питьевой водой город Тулу.
Поверхностные воды. В открытых водоемах уже в силу естественных особенностей их режима воды не могут отличаться постоянством. Ледяной покров, дожди и паводки неизбежно вызывают изменения как количества, так и качества воды.
Каждый водоем – это сложная живая система, способная к самоочищению.
Факторы самоочищения водоемов условно делят на 3 группы:
1) физические;
2) химические;
3) биологические.
К физическим факторам относятся разбавление, растворение и перемешивание поступающих загрязнений, осаждение в воде нерастворимых осадков и микроорганизмов. Понижение температуры воды сдерживает процесс самоочищения, а УФО и повышение температуры воды ускоряют этот процесс.
Химическими факторами самоочищения являются окисление органических и неорганических веществ. Показателями этого процесса служат БПК (биохимическая потребность кислорода), концентрация углеводородов, смол, фенолов и др. Санитарный режим водоема характеризуется количеством растворенного в нем кислорода, содержание которого должно быть не менее 4 мг/л в любой период года.
Биологические факторы самоочищения водоемов – это размножение в нем водорослей, плесневых и дрожжевых грибков, а также моллюски и некоторые виды амеб.
Атмосферные воды (снег, дождевая вода) для хозяйственно – питьевого водоснабжения используются только в маловодных районах, в Заполярье и на Юге. Эта вода слабо минерализована, очень мягкая, содержит мало органических веществ и свободна от патогенных микроорганизмов.
Санитарные правила предлагают выбирать источники водоснабжения в следующем порядке:
1) межпластовые напорные (артезианские);
2) межпластовые безнапорные;
3) грунтовые;
4) открытые водоемы;
5) атмосферные осадки.
Источники антропогенного загрязнения водоемов:
1) сточные воды канализованных населенных мест;
2) сточные воды промышленных предприятий;
3) поступление дождевых и талых вод с прибрежных территорий и заселенных районов;
4) пассажирские, грузовые и нефтеналивные пристани и суда;
5) забор песка и другие работы в русле реки;
6) сплав леса.
Требования к качеству питьевой воды определены в ГОСТе 2874-82 и СанПиН 2.1.4.544-96 «Вода питьевая».
Все методы обработки воды, с помощью которых достигается доведение качества воды источников водоснабжения до требований, изложенных в вышеперечисленных нормативных документах, подразделяются на основные и специальные.
К основным способам относятся: осветление, обесцвечивание и отстаивание, коагуляция и флокуляция, фильтрация, обеззараживание.
Специальными методами являются: обезжелезивание, умягчение, опреснение, деконтаминирование, обесфторивание, фторирование. дезодорирование.
Методы очистки воды выбирают с учетом качества и характера источника водоснабжения.
Под осветлением понимается устранение из воды взвешенных веществ, под обесцвечиванием - освобождение от окрашенных коллоидов. Нахождение частиц во взвешенном состоянии в толще воды или выпадение их в осадок зависит от 2-х моментов:
1) скорости движения воды;
2) удельного веса и диаметра частиц.
Однако естественный способ осаждения взвеси не удовлетворяет современным требованиям. Его основной недостаток – медленность и увеличение объема отстойников для удлинения времени осаждения. Кроме того, наиболее мелкая взвесь не успевает осесть, коллоидные вещества совсем не выделяются. Чтобы ускорить и повысить эффективность выпадения взвеси и удаление коллоидных веществ в отстойниках, перед отстаиванием производится коагуляция воды.
Сущность процесса коагуляции состоит в том, что вещества, находящиеся в воде в коллоидном состоянии, образуют хлопья и выпадают в осадок. Практически коагуляция воды достигается благодаря внесению химического реагента – коагулянта, который:
- имеет заряд, противоположный заряду коллоидных частиц, находящихся в воде;
- сам образует коллоидный раствор, быстро коагулирующийся с образованием хлопьев, выпадающих в осадок.
Благодаря действию коагулянта нейтрализуется заряд коллоидных частиц воды, они перестают взаимно отталкиваться, кинетическое равновесие коллоидного раствора нарушается, частицы теряют способность к диффузии, объединяются и выпадают в осадок. Хлопья же самого коагулянта адсорбируют коллоидные и мелкие частицы, опускаясь на дно, механически увлекают за собой более крупную взвесь.
В качестве коагулянта наиболее широко на водопроводах применяют сульфат алюминия (сернокислый глинозем) – Al2(SO4)3·18H2O, хлорное и сернокислое железо – FeCl3 и FeSO4.
Фильтрация– следующий после коагуляции и отстаивания технический прием для освобождения воды от взвешенных веществ, не задержанных на первых этапах очистки. Сущность фильтрации состоит в пропускании воды через мелкопористый материал, на поверхности, в верхнем слое или в толще которого задерживаются взвешенные частицы.
Обеззараживание воды является обязательным заключительным этапом обработки воды на водопроводе.
Обеззараживание воды вообще может проводиться физическими и химическими методами. К физическим методам относятся: кипячение, УФО, γ-излучение, токи УВЧ, электромагнитные волны.
Химическими методами обеззараживания воды являются: хлорирование, озонирование, олигодинамическое действие серебра.
Предложенные в разное время средства обеззараживания воды неравноценны. Одни из них завоевали общее признание, другие не нашли совсем или нашли ограниченное применение на практике. Их достоинства должны расцениваться по надежности обезвреживания, возможности незамедлительного контроля результата, сравнительной простоте техники применения и дешевизне. Кроме того, они должны быть абсолютно безвредны.
Среди приемов обеззараживания воды наиболее широкое применение нашло хлорирование. Относительная дешевизна, несложное оборудование и надежное действие сделали этот метод господствующим на водопроводах всего мира.
Хлорирование питьевой воды совершенно безопасно для здоровья людей. Это доказано и в лабораторном эксперименте, и в результате потребления хлорированной воды миллионами людей во всех частях земли в течение десятков лет. Поступление в организм больших доз хлора естественным образом ограничивается приданием воде запаха и вкуса при концентрации выше 0,5мг/л. Но даже если бы это и произошло, хлор был бы немедленно связан органическим содержимым желудка.
Основные условия успешного действия хлора:
1) тщательное освобождение воды от взвешенных веществ, в которых микроорганизмы защищены от поверхностно действующего хлора;
2) достаточная доза хлора;
3) полное и быстрое перемешивание хлора со всем объемом обеззараживаемой воды;
4) достаточная для проявления бактерицидного действия хлора экспозиция.
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:
1) хлорамины;
2) гипохлориты кальция и натрия;
3) хлорная известь;
4) газообразный хлор;
5) двуокись хлора (ClO2).
Бактерицидный эффект хлорирования объясняется воздействием на протоплазму растений недиссоциированной молекулы хлорноватистой кислоты, который образуется при введении хлора в воду
При диссоциации хлорноватистой кислоты образуется гипохлорит-ион, который также обладает бактерицидной активностью.
Доза хлора должна полностью и надежно обеспечить обеззараживание воды. Хлор вступает в соединении с микроорганизмами, с органическимии, а также легкоокисляющимися неорганическими веществами. Все эти формы связывания хлора объединяются в понятие «хлорпоглощаемость воды». Чтобы быть уверенным, микроорганизмы не избежали действия хлора, надо ввести его столько, чтобы покрыть всю хлорпоглощаемость воды и получить некоторый остаток свободного активного хлора. Об успешности хлорирования судят по остаточному активному хлору, присутствие которого в воде после продолжительного контакта свидетельствует о том, что хлорпоглощаемость воды исчерпана и имеется излишек хлора.
В практике водоподготовки используется несколько способов хлорирования воды:
1) хлорирование нормальными дозами (по хлорпотребности);
2) хлорирование с преаммонизацией;
3) гиперхлорирование (доза хлора превышает хлорпотребность);
4) двойное хлорирование.
Хлорирование нормальными дозами наиболее часто применяется на водопроводных станциях. Оно заключается в том, что доза хлора устанавливается экспериментально по сумме величин хлорпоглощаемости воды и нормы остаточного свободного хлора (0,5мг/л) путем проведения пробного хлорирования. Экспозиция (т.е. время контакта воды с хлором) летом не менее 30 мин., зимой – не менее 1часа.
Хлорирование с преаммонизациейприменяется 2-х случаях:
1) при содержании в исходной воде фенолов, которые при взаимодействии со свободным хлором образуют хлорфенольные соединения, придающие воде резкий аптечный запах;
2) при необходимости транспортировки воды по трубопроводам на большие расстояния.
Гиперхлорирование имеет практическое значение при:
1) резком колебании бактериальной загрязненности воды;
2) обострении эпидемиологической ситуации;
3) при отсутствии возможности проведения пробного хлорирования для определения хлорпотребности;
4) при полевом водоснабжении.
Вода обрабатывается заведомо избыточными дозами - 5-10мг/л и остаточный хлор при этом должен составлять 1- 5мг/л. Большие дозы хлора дают быстрый и, безусловно, надежный эффект. Однако высокий остаточный хлор делает воду непригодной непосредственно для употребления и требует последующего дехлорирования ее химическими реагентами (гипосульфит, сернистый газ) или сорбционными методами (активированный уголь).
Преимущества гиперхлорирования:
- возможность надежного обеззараживания мутных, цветных, сильнозагрязненных и зараженных вод;
- сокращение времени обеззараживания до 10 – 15 мин.
Двойное хлорирование применяется в случае высокой бактериальной загрязненности речной воды, также при резких и частых колебаниях ее качества.
Озонирование воды как способ ее обеззараживания было предложено еще в конце 19 века. Сравнительно широкое применение озон нашел во Франции на 200 водопроводах. Некоторое количество малых и средних установок действуют в Англии, Швейцарии. В США построена самая крупная фильтроозонная станция (в Филадельфии).
Озонирование – единственный прием обработки воды, имеющий достоинства и преимущества даже по сравнению с хлором:
1) надежное обеззараживание достигается за несколько минут;
2) озон не имеет вкуса и запаха, не ухудшает органолептических свойств воды;
3) обесцвечивает воду;
4) устраняет уже образовавшиеся запахи как естественного, так и промышленного происхождения;
5) отсутствие влияния температуры, рН, мутности воды на эффективность озонирования;
6) получение озона на месте (в озонаторах), отсутствие необходимости доставки, хранения, обмена баллонов.
Дезинфекция воды ультрафиолетовыми лучами. Бактерицидность УФЛ широко известна и экспериментально доказана. Гибель микроорганизмов при этом связана с денатурацией белка их протоплазмы и нарушением обменных и синтетических процессов клетки. Наибольшей бактерицидной активностью обладают, как мы уже знаем из предыдущих лекций, лучи с длиной волны 295 – 200 нм.
Достоинства метода:
- быстрота обеззараживания (несколько секунд);
- отсутствие влияния на органолептические свойства воды (вкус, запах);
- отсутствие необходимости в реагентном хозяйстве.
Недостатки очень существенны:
- исключение текущего контроля, позволяющего в любой момент убедиться в эффективности обеззараживания (как это можно сделать по остаточному хлору или озону);
- безукоризненная техническая эксплуатация установок на заданном уровне облучения;
- ежедневный бактериологический контроль воды;
- возможность применения для обеззараживания воды только на водопроводах из поверхностных источников, а также речной воды – лишь при постоянной эффективной очистке от взвеси на небольших водопроводах (т.к. на микроорганизмы УФЛ действуют не непосредственно, а через воду, в известной мере их поглощающую, на стойкое обеззараживание можно рассчитывать только в совершенно прозрачной, практически бесцветной и свободной от коллоидов воде.
Другие приемы обеззараживания воды, основанные на олигодинамическом действии серебра, на использовании волн ультразвуковых, ультравысокой частоты (УВЧ) и на радиоактивном излучении, пригодны только для обеззараживания ограниченных запасов воды. Вода, обработанная электролитическим серебром, требует дальнейшего десеребрения. Для централизованного водоснабжения населенных мест ни один из них не имеет практического значения, а при сравнении с достоинствами хлорирования и озонирования не оставляет особых надежд и на применение в будущем.