КАЧЕСТВО ВОДЫ И СПОСОБЫ ЕЁ УЛУЧШЕНИЯ

В зависимости от назначения к качеству воды предъявляют различные требования. Для хозяйственно-питьевых целей качество её определяется стандартом (СанПиН 2.1.4.559-96), для производственных – специфическими требованиями производства.

Качество воды характеризуется её физическими, химическими и бактериологическими свойствами.

Основные физические свойства воды:

- мутность – зависит от содержания в воде взвешенных веществ в мг/л.

Количество взвеси в воде определяют весовым способом или мутномерами. Принцип действия мутномера основан на способности взвесей поглощать и отражать лучи света, а световой поток измеряют фотоэлементом.

По мутности воды подразделяются на:

а) маломутные – до 50 мг/л взвесей;

б) среднемутные – 50 – 250 мг/л;

в) мутные – 250 – 2500 мг/л;

г) высокомутные – более 2500 мг/л.

Стандарт на питьевую воду допускает мутность до 1,5 мг/л.

- Прозрачность – это способность воды пропускать лучи света. Прозрачность зависит от мутности примерно в обратной пропорциональности. Она определяется путём просматривания через слой воды, налитой в стеклянный цилиндр, стандартный шрифт или чёрный крест с толщиной линий 1 мм на белом фоне. Прозрачность выражается в сантиметрах, через которые читается шрифт или различаются линии креста.

Стандарт допускает прозрачность более 30 см по шрифту и более 300 см по кресту. Примерное соотношение между прозрачностью и мутностью следующее:

- Цветность – обусловлена наличием в воде гуминовых веществ. Цветность определяют путём сравнения цвета исследуемой воды с искусственно подкрашенными эталонами. В качестве эталона краски берут водные растворы стойких, не выцветающих солей платины и кобальта. Цветность выражается в градусах платинокобальтовой шкалы, разделённой на 500⁰.

Стандарт допускает 35⁰.

- Вкус и запах – зависят от растворённых в воде газов, минеральных солей и органических примесей. Определяют вкус и цвет при температуре 20⁰С по пятибалльной системе. Слабый вкус и запах не поддающийся обнаружению потребителем воды оценивается в 1 балл. Далее с появлением вкуса и запаха число баллов увеличивается.

Стандарт допускает 2 балла.

- Температура воды для питья и хозяйственных нужд должна находиться в пределах 8⁰ – 12⁰С. Установлено, что именно при такой температуре лучше всего утоляется жажда и не возникает простудных заболеваний.

Основные химические свойства:

- Сухой остаток – характеризует общее содержание растворённых в воде химических веществ. Его определяют путём выпаривания предварительно профильтрованной воды.

Стандарт допускает 1000 мг/л.

- Жёсткость воды – обусловлена наличием в ней растворённых солей кальция и магния. Жёсткость выражается в мг∙экв/л – это содержание в миллиграммах элементов кальция и магния в 1 литре воды, разделённое на их эквивалентную массу.

Стандарт допускает 7 мг∙экв/л.

- Активная реакция воды (водородный показатель рН) – характеризует её кислотность или щёлочность, по ней судят об агрессивности воды.

Стандарт допускает рН = 6,5 – 7,5.

- Фтор – избыток его в воде может вызвать заболевание и разрушение эмали зубов, а недостаток – кариес.

Стандарт допускает 0,7 – 1,5 мг/л.

- Йод – содержится в воде обычно в небольших количествах, а иногда вообще отсутствует. Его отсутствие или малое содержание в воде может вызвать заболевание щитовидной железы.

Стандарт допускает 0,0001 мг/л.

- Соединения азота – аммиак, соли азотистой (нитриты) и азотной (нитраты) кислот – чаще всего образуются в воде при разложении белковых и других органических веществ.

Стандарт допускает 10 мг/л.

Бактериологическая заражённость воды.

Характеризуется общим числом бактерий, содержащихся в 1 мл воды, а также содержанием в 1 л воды кишечных палочек (коли-бактерий). Большинство бактерий, встречающихся в природной воде, безвредны для человека. Однако в ней могут находиться и болезнетворные (патогенные) бактерии, вызывающие инфекционные заболевания, такие как холера, дизентерия, туляремия, брюшной тиф и др. Патогенные бактерии появляются в воде главным образом при попадании в неё экскрементов человека и животных. При бактериологических анализах определяют содержание в воде кишечных палочек, постоянно живущих в кишечнике человека и животных. Кишечная палочка сама по себе не является болезнетворной бактерией, но обнаружение её в воде свидетельствует о загрязнении её фекальными водами, а следовательно, и о возможности попадания болезнетворных бактерий.

Пробы воды для бактериологического анализа берут в чистую стерильную посуду и доставляют в бактериологическую лабораторию немедленно (не позднее чем через 12 часов).

При анализах воды определяют:

- общее число бактерий в 1 мл воды;

- число кишечных палочек в 1 л воды – этот показатель называется коли-индекс;

- объём воды в мл, в котором содержится одна кишечная палочка – этот показатель называется коли-титр.

Стандарт по бактериологической загрязнённости воды допускает общее количество бактерий в 1 мл – 100, коли-индекс – 3, коли-титр – 300.

Если качество воды не соответствует вышеуказанным стандартам, то она подвергается очистке.

14.1 Основные методы очистки воды

Очистка воды заключается в её осветлении, обесцвечивании, дезодорации (устранении запахов и привкусов) и обеззараживании.

Воду осветляют, то есть устраняют её мутность, удаляя из неё взвешенные вещества и коллоиды. Осветление воды включает в себя два процесса:

- отстаивание воды – осаждение из неё взвешенных веществ;

- фильтрование воды – пропуск её через слой фильтрующего материала.

Отстаивание воды производится в специальных бассейнах – отстойниках, фильтрование – на фильтрах.

Время отстаивания воды зависит от крупности содержащихся в ней взвешенных частиц. Чем меньше частицы, тем больше времени требуется для их осаждения. Для интенсификации процесса осветления применяют коагулирование взвесей, добавляя в воду химические вещества – коагулянты. Последние, распадаясь на катионы и анионы, нейтрализуют отрицательно заряженные частички взвесей, что позволяет им слипнуться в более крупные и быстрее выпасть в осадок. В то же время коагулянты, вступая в реакцию с растворёнными в воде солями, образуют хлопья, которые собирают частицы взвесей и увлекают их в осадок.

Самым распространённым коагулянтом в России является сернокислый алюминий (химическая формула Aℓ₂(SO₄)₃∙18 H₂O), или как его ещё называют – глинозём. В среднем для осветления 1 л воды требуется 40 - 150 мг глинозёма, в зависимости от качества природной воды.

После осаждения взвесей вода поступает на фильтр, где, проходя через слой фильтрующего материала, она освобождается от не успевших выпасть в осадок взвесей и где завершается процесс полного осветления воды.

Для фильтрования воды на водопроводных очистных станциях устраивают водоочистные фильтры – ёмкости, в которые загружают слой зернистого фильтрующего материала – песка, дробленого антрацита, керамзита, мраморной крошки и др. Поданная на фильтр вода проходит через фильтрующий слой, оставляя в нём взвеси, собирается дренажным устройством и отводится в резервуар чистой воды. Фильтрующая среда постепенно загрязняется задержанными ей взвесями и требует периодической очистки или промывки водой.

Интенсивность процесса фильтрации измеряется количеством воды в кубических метрах, прошедшей за 1 час через 1 м² площади фильтра в плане. Следовательно, величина, характеризующая интенсивность фильтрации, имеет размерность скорости (м³/час∙м² = м/час), поэтому её принято называть скоростью фильтрации, V_ф.

По скорости фильтрации все фильтры можно разделить на:

- медленные, в которых V_ф. = 0,1 – 0,5 м/час.;

- скорые, в которых V_ф. = 5 – 50 м/час.

Медленные фильтры впервые начали применяться в Англии в 1829 г. В этих фильтрах осветление воды достигают в основном за счёт плёночного фильтрования. Мелкозернистая фильтрующая загрузка, имея мелкие поры, в начале задерживает на своей поверхности наиболее крупные частицы. Последние, заклиниваясь в порах, сужают их сечение, благодаря чему начинает задерживаться более мелкая взвесь. Этот процесс быстро прогрессирует, в порах задерживаются всё более и более мелкие частицы, а затем коллоиды и даже бактерии. Так на поверхности фильтра образуется фильтрующая плёнка с очень мелкими порами. После этого качество профильтрованной воды становится очень высоким. Задержанные плёнкой бактерии и органические вещества обусловливают возникновение в ней биологических процессов, включая развитие низших организмов, поглощающих бактерий. В результате биологических процессов большинство (до 99 %) бактерий, находящихся в воде, задерживается плёнкой и погибает. Созревшую фильтрующую плёнку медленных фильтров называют биологической. Для созревания биологической плёнки медленного фильтра необходимо 2 – 3 суток.

Очистка медленного фильтра заключается в снятии верхнего слоя (3 – 5 см) фильтрующего материала вместе с биологической плёнкой и промывки всего слоя фильтрующего материала.

Работает фильтр циклично. Период его работы между двумя чистками называют фильтроциклом. Фильтроцикл медленного фильтра составляет 40 – 60 суток.

Но самое главное, воду на медленных фильтрах можно очищать, не применяя реагенты.

Скорые фильтры появились в 1884 году и почти вытеснили медленные, так как, имея большую производительность, требовали меньшей площади и были экономичнее в эксплуатации. В этих фильтрах осветление воды достигается в основном за счёт объёмного фильтрования. В них применяют относительно крупнозернистую фильтрующую загрузку, обладающую повышенной грязеёмкостью. Биологическая плёнка на скорых фильтрах не успевает образовываться, так как их фильтроцикл длится всего 8 – 12 часов. На скорые фильтры подают воду, предварительно обработанную реагентами. Многие бактерии – возбудители опасных инфекционных заболеваний могут распространяться через воду. В результате отстаивания и фильтрования из воды удаляется до 95 % бактерий. Для уничтожения оставшихся - воду обеззараживают. С этой целью используют жидкий хлор, гипохлорид натрия, полученные электролитическим путём озон, двуокись хлора и бактерицидное облучение.

Хлорирование – является наиболее распространённым методом обеззараживания воды. Для хлорирования используют хлорную известь или газообразный хлор. Обычно применяют двойное хлорирование, добавляя хлор перед отстаиванием и после фильтрации.

Хлор доставляют на станцию в сжиженном виде в баллонах. Из них хлор переливают в промежуточный баллон, где он переходит в газообразное состояние. Газ поступает в хлоратор. Здесь он растворяется в водопроводной воде, образуя хлорную воду, которая вводится в трубопровод, транспортирующий воду, предназначенную для хлорирования.

Озонирование – заключается в окислении бактерий атомарным кислородом, образующимся при распаде озона. Озон одновременно уменьшает цветность, вкусы и запахи воды. Озон в виде озоно-воздушной смеси получают в электрических озонаторах из кислорода воздуха. Перемешивание озоно-воздушной смеси с водой происходит в специальных колоннах и резервуарах с помощью механических мешалок, эжекторов-смесителей и других приспособлений.

Бактерицидное облучение – осуществляется с использованием ультрафиолетовых лучей, под действием которых находящиеся в воде бактерии погибают. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется возникающими при облучении фотохимическими процессами в веществе бактерий.

Источником ультрафиолетовых лучей служат электрические кварцевые ртутные или аргонортутные лампы. Эти лампы располагаются в специальных камерах, через которые пропускается вода.

14.2 Общая схема и основные элементы очистной водопроводной станции

Схема очистной водопроводной станции показана на рисунке 29. Очистку воды можно условно разделить на три основных этапа.

На первом, подготовительном, этапе сырая вода (вода из источника) подвергается обработке реагентами. Подготовка воды увеличивает эффективность последующих приёмов очистки.

Второй этап заключается в осаждении из воды взвешенных частиц.

На последнем этапе – фильтрацией удаляются из воды мелкие суспензии, не задерживаемые осаждением.

Все устройства, при помощи которых реагенты подготавливаются и в установленных дозах вносятся в сырую воду, носят общее название – реагентное хозяйство (на рисунке 29 позиции 1,2,3).

Рисунок 29 - Схема очистной водопроводной станции

Реагент в определённом количестве загружается в затворный бак 1. Сюда же подводится вода для растворения реагента. По мере растворения реагента приготовленные порции раствора, ещё очень большой концентрации, выпускаются в один из растворных баков 2. Добавляя в него воду, снижают концентрацию реагента до необходимой величины. Обычно устанавливают два растворных бака. Пока идёт приготовление раствора в одном из баков, из другого бака раствор реагента расходуется на обработку сырой воды.

Из растворного бака 2 раствор нужной концентрации поступает в дозатор 3. Из дозатора раствор в необходимом количестве изливается открытой струёй в контрольную воронку 4, что даёт возможность следить за непрерывной подачей раствора. Затем раствор поступает в смеситель 5, где смешивается с сырой водой, поступающей по трубе 6.

Из смесителя вода, смешенная с реагентом, направляется в камеру реакции 8, в которой создаётся благоприятный гидравлический режим для хлопьеобразования. Над камерой установлен воздухоотделитель 7 для отделения пузырьков воздуха или газа, несомых потоком. Из камеры реакции вода, в которой теперь образовались крупные тяжёлые хлопья, поступает в отстойник 9. Осветлённая вода из отстойника переходит в фильтр 11, а осаждённые в отстойнике хлопья периодически удаляются по трубе 10 в канализацию.

Профильтрованная через фильтр осветлённая вода по трубе 12 направляется в резервуар чистой воды 13. Фильтр, задерживая частицы взвесей, постепенно загрязняется, и производительность его падает. Промывают фильтр обратным током чистой воды из резервуара 14, в который вода по трубе 16 подаётся из резервуара чистой воды 13 насосом 17.