Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
10
ЛЕКЦИЯ № 3. МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ВОДЫ
Использование природных вод открытых водоемов, а иногда и подземных вод в целях хозяйственно-питьевого водоснабжения практически невозможно без предваритель ного 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.
Для улучшения качества воды применяются следующие методы: 1) очистка—удаление взвешенных частиц; 2) обез зараживание—уничтожение микроорганизмов; 3) специаль ные 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 специаль ных сооружениях — отстойниках. Используются две конструк ции отстойников: горизонтальные и вертикальные. Принцип их действия состоит в том, то 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 мель чайшие частицы, в том числе значительная часть микроорганизмов, не успевает 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 водопро водных станциях фильтрация применяется после коагуля ции.
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 водо забора 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 находящи мися в ней бикарбонатами. В результате этой реакции образуются крупные, довольно тяжелые хлопья, несущие положительный заряд. Оседая вследствие собственной тяжес ти, 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, улучшает ся показатель цветности.
В качестве коагулянта в настоящее время наиболее ши роко применяется сульфат алюминия, образующий с бикар бонатами воды крупные хлопья гидрата окиси алюминия. Для улучшения процесса коагуляции используются высо комолекулярные флокулянты: щелочной крахмал, флокулянты ионного типа, активизированная кремневая кислота и другие синтетические препараты, производные акриловой кислоты, в частности полиакриламид (ПАА).
Обеззараживание. Уничтожение микроорганизмов являет ся последним завершающим этапом обработки воды, обеспе чивающим ее эпидемиологическую безопасность. Для обеззараживания воды применяются химические (реагентные) и физические (безреагентные) методы. В лабораторных условиях для небольших объемов воды может быть использован механический метод.
Химические (реагентные) методы обеззаражи вания основаны на добавлении к воде различных химических веществ, вызывающих гибель находящихся в воде микро организмов. Эти методы достаточно эффективны. В каче стве реагентов могут быть использованы различные силь ные окислители: хлор и его соединения, озон, йод, перманганат калия, некоторые соли тяжелых металлов, се ребро.
В санитарной практике наиболее надежным и испытан ным 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 хлорновати стой кислот:
С12+Н2О=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 SH-группы, нарушает обмен веществ микробных клеток и способность микроорганизмов к размножению. В послед ние годы установлено, что бактерицидный эффект хлора основан на угнетении ферментов-катализаторов, окислитель но-восстановительных процессов, обеспечивающих энергети ческий обмен бактериальной клетки.
Обеззараживающее действие хлора зависит от многих факторов, среди которых доминирующими являются биоло гические особенности микроорганизмов, активность действу ющих препаратов хлора, состояние водной среды и усло вия, в которых производится хлорирование.
Процесс хлорирования зависит от стойкости микроорга низмов. 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 коли чество хлора уходит на их окисление, и при низкой темпе ратуре воды. Существенным условием хлорирования являет ся 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 водо проводной станции. Иногда для усиления обеззараживающе го 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 каж дый раз опытным путем, суперхлорирование, т. е. хлори рование повышенными дозами.
Хлорирование нормальными дозами применяется в обычных условиях на всех водопроводных станциях. При этом большое значение имеет правильный выбор дозы хлора, что обусловливается степень 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 органиче ских веществ, а также количества хлора, которое должно остать ся в воде после ее хлорирования для того, чтобы служить показателем надежности хлорирования. Это количество называется активным остаточным хлором. Его норма 0,3—0,5 мг/л, при свободном хлоре 0,8—1,2 мг/л. Необходи мость нормирования этих количеств связана с тем, что при наличии 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 обез зараживанием водой и хлором в течение 30 мин в теплое время года и 60 мин в холодное время.
На крупных водопроводных станциях для обеззаражи вания 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 автоматиче ская подача и дозирование хлора. Наиболее часто хлориро вание воды производится 1% раствором хлорной извести. Хлорная известь представляет собой продукт взаимо действия хлора и гидрата окиси кальция в результате реакции:
2Са(ОН)2 + 2С12 = Са(ОС1)2 + СаС12 + 2НА
Суперхлорирование (гиперхлорирование) воды проводит ся 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 случа ях и производится дозами, в 5—10 раз превышающими хлорпоглощаемость воды, т. е. 10—20 мг/л активного 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 предва рительного освобождения ее от мути и осветления. Недостатком гиперхлорирования является сильный запах хло ра, но его можно устранить добавлением к воде тиосульфа та натрия, активированного угля, сернистого ангидрида и других веществ (дехлорирование).
На водопроводных станциях иногда проводят хлориро вание 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 НО2, обладающие выраженными окислительными свойствами. Озон обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом, 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 за ключается 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 отрицатель ного влияния на минеральный состав и рН 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, рН воды и т.д. Для обеззараживания воды необходимая доза озона в среднем равна 0,5—6 мг/л при экспозиции 3—5 мин. Озо нирование производится при помощи специальных аппара тов — озонаторов.
При химических способах обеззарараживания воды используют также олигодинамические действия солей тяжелых металлов (серебра, меди, золота). Олигодинамическим действием тяжелых металлов называется их способ ность оказывать бактерицидный эффект в течение длитель ного срока при крайне малых концентрациях. Механизм действия заключается в том, что положительно заряженные ионы тяжелых металлов вступают в воде во взаимодей ствие с микроорганизмами, имеющими отрицательный заряд. Происходит электроадсорбция, в результате которой они проникают в глубь микробной клетки, образуя в ней альбуминаты тяжелых металлов (соединения с нуклеиновы ми кислотами), в результате чего микробная клетка поги бает. Данный метод обычно применяется для обеззаражи вания небольших количеств воды.
Перекись водорода давно известна как окислитель. Ее бактерицидное действие связано с выделением кисло рода при разложении. Метод применения перекиси водоро да 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 со став и органолептичеекие свойства воды. Кроме того, бактерицидное действие этих веществ проявляется после определенного периода контакта и не всегда распростра няется на все формы микроорганизмов. Все это явилось причиной разработки физических методов обеззараживания воды, имеющих ряд преимуществ по сравнению с химиче скими. Безреагентные методы не оказывают влияния на состав и свойства обеззараживаемой воды, не ухудшают ее органолептических свойств. Они действуют непосредст венно на структуру микроорганизмов, вследствие чего обла дают более широким диапазоном бактерицидного действия. Для обеззараживания необходим небольшой период времени.
Наиболее разработанным и изученным в техническом отношении методом является облучение воды бактерицид ными (ультрафиолетовыми) лампами. Наибольшим бактери цидным свойством обладают УФ лучи с длиной волны 200—280 нм; максимум бактерицидного действия приходит ся на длину волны 254—260 нм. Источником излучения слу жат аргонно-ртутные лампы низкого давления и ртутно-кварцевые лампы. 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 воздейст вию 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 обеззаражива ния воды наиболее надежным является кипячение. В ре зультате 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. 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, ультра звука и ионизирующего излучения. В настоящее время эти методы широкого практического применения не находят.
Специальные способы улучшения качества воды. Помимо основных методов очистки и обеззараживания воды, в не которых случаях возникает необходимость производить спе циальную ее обработку. В основном эта обработка направле на на улучшение минерального состава воды и ее органолептических свойств.
Дезодорация — удаление посторонних запахов и привкусов. Необходимость проведения такой обработки обу словливается наличием в воде запахов, связанных с жизне деятельностью микроорганизмов, грибов, водорослей, продуктов распада и разложения органических веществ. С этой целью применяются такие методы, как озонирование, углевание, хлорирование, обработка воды перманганатом калия, переки сью водорода, фторирование через сорбционные фильтры, аэрация.
Дегазация воды — удаление из нее растворенных дурно пахнущих газов. Для этого применяется аэрация, т. е. разбрызгивание воды на мелкие капли в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе, в резуль тате 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 производит ся 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). Опресне ние достигается дистилляцией воды, которая производится в различных опреснителях (вакуумные, многоступенчатые, гелиотермические), ионитовых установках, а также электро химическим способом и методом вымораживания.
Обезжелезивание — удаление из воды железа про изводится аэрацией с последующим отстаиванием, коагулированием, известкованием, катионированием. В настоящее время разработан метод фильтрования воды через песча ные фильтры. При этом закисное железо задерживается на поверхности зерен песка.
Обесфторивание — освобождение природных вод от избыточного количества фтора. С этой целью применяют метод осаждения, основанный на сорбции фтора осадком гидроокиси алюминия.
При недостатке в воде фтора ее фторируют. В случае загрязнения воды радиоактивными веществами ее подвергают дезактивации, т. е. удалению радиоактивных веществ.