Централизованная система водоснабжения, основные методы очистки питьевой воды: осветление, обесцвечивание, коагуляция, отстаивание, фильтрация.

Централизованная система водоснабжения – водопровод – комплекс устройств, сооружений и трубопроводов, предназначенных для забора, подготовки или без нее, хранения, подачи к местам потребления питьевой воды и открытой для общего пользования.

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.

Первый этап очистки воды открытого водоисточника — это осветление и обесцвечивание. В природе это достигается путем длительного отстаивания.

Остаивание 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.

Естественный отстой протекает медленно и эффективность обесцвечивания при этом невелика. Поэтому на водопроводных станциях часто применяют химическую обработку коагулянтами, ускоряющую осаждение взвешенных частиц. Процесс осветления и обесцвечивания, как правило, завершают фильтрованием воды через слой зернистого материала (например, песок или измельченный антрацит). Применяют два вида фильтрования — медленное и скорое.

Медленное фильтрование воды проводят через специальные фильтры, представляющие собой кирпичный или бетонный резервуар, на дне которого устраивают дренаж из железобетонных плиток или дренажных труб с отверстиями. Через дренаж профильтрованная воды отводится из фильтра. Поверх дренажа загружают поддерживающий слой щебня, гальки и гравия по крупности, постепенно уменьшающейся кверху, что не дает возможности мелким частицам просыпаться в отверстия дренажа. Толщина поддерживающего слоя — 0,7 м. На поддерживающий слой загружают фильтрующий слой (1 м) с диаметром зерен 0,25-0,5 мм. Медленный фильтр хорошо очищает воду только после созревания, которое состоит в следующем: в верхнем слое песка происходят биологические процессы — размножение микроорганизмов, гидробионтов, жгутиковых, затем их гибель, минерализация органических веществ и образование биологической пленки с очень мелкими порами, способными задерживать даже самые мелкие частицы, яйца гельминтов и до 99% бактерий. Скорость фильтрации составляет 0,1-0,3 м/ч.

Медленнодействующие фильтры применяют на малых водопроводах для водоснабжения сел и поселков городского типа. Раз в 30-60 дней поверхностный слой загрязненного песка снимают вместе с биологической пленкой.

Стремление ускорить осаждение взвешенных частиц, устранить цветность воды и ускорить процесс фильтрования привело к проведению предварительного коагулирования воды. Для этого к воде добавляют коагулянты, т.е. вещества, образующие гидроокиси с быстро оседающими хлопьями. В качестве коагулянтов применяют сернокислый алюминий, хлорное железо, сернокислое железо и др. Хлопья коагулянта обладают огромной активной поверхностью и положительным электрическим зарядом, что позволяет им адсорбировать даже мельчайшую отрицательно заряженную взвесь микроорганизмов и коллоидных гуминовых веществ, которые увлекаются на дно отстойника оседающими хлопьями. Условия эффективности коагуляции — наличие бикарбонатов. На 1 г коагулянта добавляют 0,35 г Са(ОН)2. Размеры отстойников (горизонтальных или вертикальных) рассчитаны на 2-3-часовое отстаивание воды.

После коагуляции и отстаивания вода подается на скорые фильтры с толщиной фильтрующего слоя песка 0,8 м и диаметром песчинок 0,5-1 мм. Скорость фильтрации воды составляет 5-12 м/час. Эффективность очистки воды: от микроорганизмов — на 70-98% и от яиц гельминтов — на 100%. Вода становится прозрачной и бесцветной.

Очистку фильтра проводят путем подачи воды в обратном направлении со скоростью, в 5-6 раз превышающей скорость фильтрования в течение 10-15 мин.

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. Верхний слой — керамзит, полимерная крошка и др. (размер частиц —- 2,3-3,3 мм). Средний слой — антрацит, керамзит (размер частиц — 1,25-2,3 мм). Нижний слой — кварцевый песок (размер частиц — 0,8-1,2 мм). Коагуляция происходит в нижних крупнозернистых частях осветлителя, а в верхних задерживаются хлопья коагулянта и другие взвешенные вещества. Скорость фильтрации до 20 м/час.

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.

При любой схеме заключительным этапом обработки воды на водопроводе из поверхностного источника должно быть обеззараживание.

Обеззараживание воды может быть проведено химическими и физическими (безреагентными) методами.

К химическим методам обеззараживания воды относят хлорирование и озонирование. Задача обеззараживания — уничтожение патогенных микроорганизмов, т.е. обеспечение эпидемической безопасности воды.

Хлорирование воды является одним из наиболее широко распространенных профилактических мероприятий. Этому способствует доступность метода, его дешевизна и надежность обеззараживания, а также многовариантность, т.е. возможность обеззараживать воду на водопроводных станциях, передвижных установках, в колодце (при его загрязнении и ненадежности), на полевом стане, в бочке, ведре и во фляге.

Принцип хлорирования основан на обработке воды хлором или химическими соединениями, содержащими хлор в активной форме, обладающей окислительным и бактерицидным действием. Небольшие размеры молекулы и электрическая нейтральность позволяют образующейся хлорноватистой кислоте быстро пройти через оболочку бактериальной клетки и воздействовать на клеточные ферменты (SН-группы;), важные для обмена веществ и процессов размножения клетки. На крупных водопроводах для хлорирования применяют газообразный хлор, поступающий в стальных баллонах или цистернах в сжиженном виде.

Используют, как правило, метод нормального хлорирования, т.е. метод хлорирования по хлорпотребности. Имеет важное значение выбор дозы, обеспечивающий надежное обеззараживание. При обеззараживании воды хлор не только способствует гибели микроорганизмов, но и взаимодействует с органическими веществами воды и некоторыми солями. Все эти формы связывания хлора объединяются в понятие "хлорпоглощаемость воды".

В соответствии с СанПиН 2.1.4.559-96 "Питьевая вода..." доза хлора должна быть такой, чтобы после обеззараживания в воде содержалось 0,3-0,5 мг/л свободного остаточного хлора. Этот метод, не ухудшая вкуса воды и не являясь вредным для здоровья, свидетельствует о надежности обеззараживания.

Количество активного хлора в миллиграммах, необходимое для обеззараживания 1 л воды, назьвают хлорпотребностью. Кроме правильного выбора дозы хлора, необходимым условием эффективного обеззараживания является хорошее перемешивание воды и достаточное время контакта воды с хлором: летом не менее 30 минут, зимой не менее 1 часа.

Модификации хлорирования: двойное хлорирование, хлорирование с аммонизацией, перехлорирование и др.

Двойное хлорирование предусматривает подачу хлора на водопроводные станции дважды: первый раз перед отстойниками, а второй — как обычно, после фильтров. Это улучшает коагуляцию и обесцвечивание воды, подавляет рост микрофлоры в очистных сооружениях, увеличивает надежность обеззараживания.

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, Суперхлорирование имеет ряд преимуществ. - 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, актввированного угля, сернистого ангидрида и других веществ (дехлорирование).

Хлорирование с аммонизацией предусматривает введение в обеззараживаемую воду раствора аммиака, а через 0,5-2 минуты — хлора. При этом в воде образуются хлорамины, которые также обладают бактерицидным действием. Этот метод применяется для обеззараживания воды, содержащей фенолы, с целью предупреждения образования хлорфенолов, которые придают воде аптечный запах и привкус. Хлорамины же не образуют с фенолами хлорфенолов. Скорость обеззараживания воды хлораминами меньше, чем при использовании хлора, поэтому продолжительность дезинфекций воды должна быть не меньше 2 ч, а остаточный хлор равен 0,8-1,2 мг/л.

Перехлорирование предусматривает добавление к воде заведомо больших доз хлора (10-20 мг/л и более). Это позволяет сократить время контакта воды с хлором до 15-20 мин и получить надежное обеззараживание от всех видов микроорганизмов: бактерий, вирусов, риккетсий Бернета, цист, дизентерийной амебы, туберкулеза и даже спор сибирской язвы. По завершении процесса обеззараживания в воде остается большой избыток хлора и возникает необходимость дехлорирования. С этой целью в воду добавляют гипосульфит натрия или фильтруют воду через слой активированного угля. Перехлорирование применяется преимущественно в экспедициях и военных условиях.

К недостаткам метода хлорирования следует отнести:

а.) сложность транспортировки и хранения жидкого хлора и его токсичность;

б.) продолжительное время контакта воды с хлором и сложность подбора дозы при хлорировании нормальными дозами;

в.) образование в воде хлорорганических соединений и диоксинов, небезразличных для организма;

г.) изменение органолептических свойств воды.

В поисках безреагентных методов или реагентов, не изменяющих химического состава воды, обратили внимание на озон.

Озон (О3) — газ бледно-фиолетового цвета с характерным запахом. Молекула озона легко отщепляет атом кислорода. Обладает бактерицидными свойствами. Наряду с бактерицидным действием озона в процессе обработки воды происходит обесцвечивание и устранение привкусов и запахов.

Преимущества озона перед хлором при обеззараживании воды состоит в том, что озон не образует в воде токсических соединений, улучшает органолептические показатели воды и обеспечивает бактерицидный эффект при меньшем времени контакта (до 10 мин). Он более эффективен по отношению к патогенным простейшим — дизентерийной амебе, лямблиям и др. Широкое внедрение озонирования в практику обеззараживания воды сдерживается высокой энергоемкостью процесса получения озона и несовершенством аппаратуры.

Олигодинамическое действие серебра в течение длительного времени рассматривалось как средство для обеззараживания преимущественно индивидуальных запасов воды. Серебро обладает выраженным бактериостатическим действием. Даже при введении в воду незначительного количества ионов микроорганизмы прекращают размножение, хотя остаются живыми и даже способными вызвать заболевание. Концентрации серебра, способные вызвать гибель большинства микроорганизмов, при длительном употреблении воды токсичны для человека. Поэтому серебро в основном применяется для консервирования.

К физическим методам обеззараживания относятся кипячение, облучение ультрафиолетовыми лучами, воздействие ультразвуковыми волнами, токами высокой частоты, гамма-лучами и др. Преимущество физических методов обеззараживания перед химическими состоит в том, что они не изменяют химического состава воды, не ухудшают ее органолептических свойств. Но из-за их высокой стоимости и необходимости тщательной предварительной подготовки воды в водопроводных конструкциях применяется только ультрафиолетовое облучение, а при местном водоснабжении — кипячение.

Ультрафиолетовые лучи обладают бактерицидным действием. Максимально эффективен участок УФ-части оптического спектра в диапазоне волн от 200 до 275 нм. Максимум бактерицидного действия приходится на лучи с длиной волны 260 нм. Преимущества: УФ-лучи не изменяют органолептических свойств воды и обладают более широким спектром антимикробного действия: уничтожают вирусы, споры бацилл и яйца гельминтов.

Ультразвук применяют для обеззараживания бытовых сточных вод, т.к. он эффективен в отношении всех видов микроорганизмов, в том числе и спор бацилл. Его эффективность не зависит от мутности и его применение не приводит к пенообразованию, которое часто имеет место при обеззараживании бытовых стоков.

Гамма-излучение очень эффективный метод. Уничтожение всех видов микроорганизмов, однако в практике водопроводов пока не находит применения.

Кипячение является простым и надежным методом. Вегетативные микроорганизмы погибают при нагревании до 80°С уже через 20-40 с, а при 3-5-минутном кипячении есть полная гарантия безопасности.