Улучшение качества воды
| Задачи | Методы | Средства |
| Осветление Обесцвечивание Обеззараживание Обезвреживание Обессоливание Дезактивация Обезжелезивание Обесфторивание Фторирование Дезодорирование | Отстаивание Коагулирование Фильтрование Кипячение Хлорирование Озонирование Облучение УФЛ Сорбция Ионный обмен Вымораживание Дистилляция Аэрирование | Отстойники Коагулянты Фильтры Кипятильники Хлорные препараты Озон, озонаторы УФЛ-установки Сорбиты Иониты Опреснительные установки Градирни Фтораторные установки |
В зависимости от задач улучшения качества воды применяются соответствующие методы, причем нередко один и тот же метод дает возможность решить несколько задач. Например, с помощью фильтрования достигается осветление воды, а также частично обеззараживание, дезактивация и т.п.
Обязанностью медицинской службы является определение задач улучшения качества вод. Методы и средства устанавливают и реализуют специалисты инженерно-технического профиля, однако необходимость контроля за работой очистных сооружений обязывает медицинских работников знать возможность применяемых методов и основных принципов устройства и работы средств улучшения качества воды.
Улучшение качества воды предусматривает исправление таких свойств, которые затрудняют или делают невозможным использование ее для удовлетворения физиологических, хозяйственно-бытовых и технических потребностей людей. На практике применяются различные методы и средства по устранению обнаруженных недостатков в воде. Наиболее часто используются такие методы, как коагулирование, фильтрование и обеззараживание.
Осветление воды коагулированием применяется с целью освобождения ее от мутности и цветности, обусловленных взвешенными коллоидными частицами. Наиболее распространенными коагулянтами являются сернокислая соль алюминия АL2 (SО4)3 • 18 Н2О, сернокислое железо FеSО4 7Н2О и хлорное железо FеСlз • 6Н2О. Растворенные в воде эти вещества подвергаются гидролизу с образованием трудно растворимых гидратов окисей хлопьевидной структуры, обладающих огромной активной поверхностью. Образовавшиеся хлопья гидратов окисей сорбируют на своей поверхности коллоидные частицы и более грубые взвеси, что и приводит к улучшению прозрачности и уменьшению цветности воды.
Процесс фильтрования воды состоит в пропускании ее через какой-либо пористый или мелкозернистый материал. В результате чего на его поверхности и отчасти в толще происходит задержка взвешенных веществ, некоторой части микроорганизмов и в зависимости от природы фильтрующего материала — сорбция химических веществ. Этот процесс происходит за счет механических, физико-химических и отчасти биологических факторов.
В качестве фильтрующего материала употребляется песок, уголь, шлак, антрацитовая крошка, опилки, ткань, фарфор, асбестоцеллюлозная масса и т.п.
Под обеззараживанием воды понимается освобождение ее в первую очередь от патогенных микроорганизмов.
Обеззараживания воды можно достичь действием физических, химических и механических факторов. К физическим факторам относятся высокая температура, лучистая энергия, ультразвуковые колебания, сорбция на активных поверхностях; к химическим - различного рода химические вещества, главным образом окислители, действующие губительно на микроорганизмы; к механическим - различного рода фильтры, в особенности бактериозадерживающие.
4.6.1. Физические методы обеззараживания воды
Кипячение воды, т. е. нагревание ее до 1000 С, приводит к безусловной гибели всех микроорганизмов, в том числе и патогенных. Кроме того, при кипячении могут разрушаться некоторые термолабильные токсины (ботулотоксин) и ядовитые вещества, в том числе ОВ. Для большей гарантии в отношении термоустойчивых вирусов кипячение рекомендуют продолжать в течение 10-15 мин. Уничтожение споровых форм достигается увеличением срока кипячения до 2 часов. Такого же эффекта можно достичь нагреванием воды до 110-120оС в течение 5-10 мин при избыточном давлении (автоклавирование).
Кипячение воды, как метод ее обеззараживания по сравнению с другими имеет ряд преимуществ. К их числу относятся простота, доступность и надежность обеззараживания, независимость бактерицидного эффекта от состава воды, отсутствие заметного влияния на физико-химические и органолептические свойства воды.
Наряду с преимуществами метод обеззараживания воды кипячением имеет и некоторые существенные недостатки: он экономически нерентабелен, требует большого количества топлива и сравнительно громоздкий из-за малопроизводительной аппаратуры в виде различного рода кипятильников. В связи с этим кипячение для целей обеззараживания больших количеств воды не применяется. При обработке небольших объемов воды он широко используется как в мирное, так и в военное время.
Метод обеззараживания воды ультрафиолетовыми лучами имеет важные преимущества, к числу которых относятся широкий антибактериальный спектр действия с выключением споровых и вирусных форм, исчисляемая несколькими секундами экспозиция, сохранение природных свойств воды, улучшение условий труда обслуживающего персонала в связи с исключением из обращения вредных химических веществ - дезинфектантов, экономическая рентабельность.
Установлено, что максимальное бактерицидное действие оказывает ультрафиолетовый участок спектра, в особенности лучи с длиной волны от 200 до 280 мм (область С).
Недостатком метода является отсутствие простого и быстрого способа контроля за полнотой обеззараживания воды, а также большое влияние физико-химических свойств воды (цветность, мутность, содержание железа и т.п.) на эффект обеззараживания.
4.6.2. Химические методы обеззараживания воды
Химические методы обеззараживания воды основаны на применении различных веществ, обладающих бактерицидным действием. Эти вещества должны отвечать определенным требованиям, а именно: не делать воду вредной для здоровья, не изменять ее органолептических свойств, в малых концентрациях и в течение короткого времени контакта оказывать надежное бактерицидное действие, быть удобными в применении и безопасными в обращении, длительно храниться, производство их должно быть дешевым и доступным.
В наибольшей степени этим требованиям отвечают хлор и его препараты, чем можно объяснить их распространение в практике коммунального и полевого водоснабжения.
Для обеззараживания воды применяются и другие вещества - озон, йод, перекись водорода, препараты серебра, органические и неорганические кислоты и некоторые другие.
Наряду с положительными свойствами, метод хлорирования имеет и недостатки. Основным из них является неспособность хлора и его препаратов в тех дозах, в которых они обычно применяются, уничтожать в воде споровые формы микроорганизмов. Для достижения этой цели прибегают к очень большим дозам хлора и длительному его контакту с водой. К недостаткам хлорирования следует отнести также трудность дозировки и опасность в обращении с хлором, нестойкость его препаратов при хранении, неприятный запах хлорированной воды, в особенности при наличии в ней химических веществ типа фенолов, а также возможность образования тригалометанов.
Эффективность хлорирования воды определяется свойствами хлорсодержащего препарата, концентрацией в нем активного хлора, физико-химическими свойствами воды и временем контакта с ней хлора, степенью обсеменения воды микроорганизмами и их видом.
Как считает большинство исследователей, для уничтожения подавляющего числа вегетативных форм микроорганизмов достаточно контакта хлора с водой в течение 30 мин.
Наиболее надежным способом контроля эффективности обеззараживания воды является бактериологическое исследование. Однако такие исследования длительны и сложны, особенно в полевых условиях и боевой обстановке. Контроль за полнотой обеззараживания осуществляется по остаточному хлору. Остаточный хлор состоит из свободного и связанного. Установлено, что, если в хлорированной воде через 30 мин после внесения туда определенного количества хлора осталось 0,3 ‑ 0,5 мг/л свободного остаточного хлора, вода, как правило, оказывается надежно обеззараженной.
Известно, что наряду со свободными формами хлора в реакцию вступает и учитывается связанный хлор, основу которого составляют хлорамины и дихлорамины. Их бактерицидное действие во много раз меньше, чем свободного хлора. Поэтому недостаточно знать лишь общее количество остаточного хлора. В каждом конкретном случае необходимо устанавливать его качественный состав, чтобы сделать правильное заключение о надежности проведенного обеззараживания воды. Согласно стандарту концентрация связанного (хлораминного) хлора после экспозиции не менее часа должна составлять 0,8 - 1,2 мг/л.
В случаях эпидемиологического неблагополучия величина остаточного хлора может быть повышена до 2 мг/л без ущерба для здоровья населения. По остаточному хлору устанавливается и хлорпотребность воды.
Основными способами хлорирования воды являются хлорирование нормальными дозами и хлорирование повышенными дозами (гиперхлорирование).
Хлорирование нормальными дозами наиболее распространено, особенно в практике коммунального водоснабжения. Сущность его заключается в выборе такой рабочей дозы активного хлора, которая после 60-минутного контакта с водой обеспечивает наличие 0,8 - 1,2 мг/л остаточного связанного хлора. К преимуществам метода относятся относительно небольшое влияние на органолептические свойства воды, что позволяет употреблять воду без последующего дехлорирования, малый расход хлора или хлорсодержащих препаратов. Недостатками метода является сложность выбора рабочей дозы хлора и возможность появления хлорфенольного запаха вследствие образования хлорфенолов в воде, содержащей даже очень незначительные количества кислоты или ее гомологов.
При хлорировании воды большими дозами хлора в нее вносится повышенное количество активного хлора в расчете на последующее дехлорирование. Доза активного хлора выбирается в зависимости от физических свойств воды (мутность, цветность), характера и степени благоустройства водоисточника и от эпидемической обстановки. В большинстве случаев она составляет 20 - 30 мг/л при времени контакта 30 мин.
К преимуществам метода относятся:
- надежный эффект обеззараживания даже мутных, окрашенных и вод, содержащих аммиак;
- упрощение техники хлорирования (не нужно определять хлорпотребность воды);
- снижение цветности воды за счет окисления хлором органических веществ и перевода их в неокрашенные соединения;
- устранение посторонних привкусов и запахов, особенно обусловленных присутствием сероводорода, а также разлагающихся веществ растительного и животного происхождения;
- отсутствие хлорфенольного запаха при наличии фенолов, так как при этом образуются не моно-, а полихлорфенолы, которые запахом не обладают;
- разрушение некоторых отравляющих веществ и токсинов (ботулотоксина); уничтожение споровых форм микроорганизмов при дозе 100 - 150 мг/л активного хлора и длительности контакта 2-5 ч, значительное улучшение условий для процесса коагуляции воды.
Перечисленные положительные стороны метода делают его весьма ценным для практики улучшения качества воды в полевых условиях, когда выбор водоисточников ограничен и возникает потребность использования воды низкого качества, особенно в связи с опасностью применения бактериологического и химического оружия.
К недостаткам метода, как уже указывалось, следует отнести возможность образования тригалометанов, особенно при хлорировании воды, содержащей хозяйственно-бытовые стоки и гуминовые вещества, повышенный расход хлора и необходимость дехлорирования воды.
В качестве средств дехлорирования используются химические вещества, связывающие избыточное количество хлора, и сорбция хлора на активированном угле. Химические вещества, переводящие хлор в неактивное состояние, обычно относятся к группе восстановителей. Лучшим из них является тиосульфат (гипосульфит) натрия.
Дехлорирование воды может производиться сернистокислым и сернистым ангидридом, а также фильтрованием через обычный или активный уголь. Небольшие количества воды можно дехлорировать путем внесения угольного порошка в воду.
Применяемая для обеззараживания водыперекись водорода(Н2О2) также является сильным окислителем. Акцептором служит атомарный кислород. Из-за трудности получения в больших количествах и дороговизны перекись водорода широкого применения в практике водоснабжения не приобрела. В последнее время разработан новый, более дешевый способ ее получения, в связи с чем, метод этот приобретает практический интерес.
Перекись водорода не изменяет органолептических свойств воды и значительно (до 50%) снижает ее цветность, что весьма ценно для обеззараживания окрашенных вод. К числу недостатков метода относятся необходимость введения катализаторов для ускорения высвобождения атомарного кислорода и жидкая форма препарата, что затрудняет ее применение в полевых условиях.
Обеззараживание воды серебромосновано на том, что ионы этого металла инактивируют бактериальные ферменты, блокируя их сульфгидрильные группы. Практически метод обеззараживания серебром может быть применен при небольших индивидуально-групповых запасах воды. Для этой цели используют посеребренный песок, посеребренные керамические «кольца Рашига» и серебро, растворенное электролитическим путем, т.е. растворенный при пропускании постоянного тока через обеззараживаемую воду серебряный электрод (анод). Таким путем можно получить «серебрянную воду», обладающую бактерицидными свойствами. Возможно также обеззараживание воды добавлением солей серебра.
Обеззараживание воды серебром не изменяет ее органолептических свойств и обеспечивает длительность бактерицидного действия, что особенно важно в тех случаях, когда возникает необходимость в длительном хранении воды.
К недостаткам метода следует отнести трудность дозировки, медленное и ненадежное бактерицидное действие, влияние на бактерицидный эффект физико-химических свойств воды, а также необходимость контроля остаточных количеств серебра в питьевой воде.
4.6.3. Дезактивация воды
Радиоактивные вещества, находящиеся в воде в виде грубых взвесей, могут быть удалены с помощью отстаивания и пропускания через обычные фильтры. Коллоидные взвеси удаляются коагулированием с последующим фильтрованием или отстаиванием. От веществ, находящихся в растворенном состоянии, можно освободиться с помощью дистилляции или ионообменного фильтрования.
| Рис. 4.9. Опреснительная станция ОПС-5 |
Недостатками метода дезактивации воды с помощью перегонки является потребность в большом количестве тепла, громоздкость и сложность аппаратуры при относительно низкой ее производительности. Кроме того, перегнанная вода обладает, как правило, неудовлетворительными органолептическими свойствами. Это заставляет искать другие способы освобождения воды от растворенных в ней радиоактивных веществ. Один из таких способов основан на использовании принципа ионного обмена.
В настоящее время установлено, что обмен ионов в гетерогенных системах является широко распространенным явлением. Эти системы можно регенерировать, обработав раствором кислоты (катионит) или щелочи.
Дезактивация и обессоливание воды на практике осуществляются путем пропускания ее через обычные фильтры, загруженные катионитами и анионитами.
4.7. Улучшение качества индивидуальных запасов воды
При действии отдельных военнослужащих и небольших групп в отрыве от своей воинской части (разведчики, десантники, летчики в случае аварии самолетов и др.) может возникнуть необходимость использования воды из необследованных источников воды. На этот случай они должны располагать индивидуальными средствами улучшения качества воды.
Наиболее эффективными и удобными для этой цели оказались препараты хлора, которые и занимают в настоящее время основное место среди прочих средств обеззараживания малых количеств воды.
Для обеззараживания индивидуальных запасов воды в полевых условиях используются средства инженерной службы – индивидуальное водоочистное устройство ИВУ и медицинские таблетированные препараты «Аквасепт», «Неоаквасепт», «Аквасан».
ИВУ предназначено для очистки пресной воды от естественных, антропогенных и техногенных загрязнений, нефтепродуктов и поверхностно-активных веществ, солей тяжелых металлов, радионуклидов, бактерий и вирусов в полевых условиях. Оно представляет из себя фильтр-флягу и размещается на поясном ремне, состоит из корпуса с горловиной и грязезащитным колпачком, крышки корпуса, сменного фильтрующего элемента, емкости для хранения очищенной воды, препарата для коагуляции и обеззараживания, чехла. Производительность 10 л/ч, время развертывания 0,5 мин, время коагуляции и обеззараживания – 15 мин, ресурс фильтрующего элемента – до 150 л (при подземном водоисточнике 500 л), масса – 0,7 кг, габаритные размеры в мм – длина 140, ширина 80, высота 280.
Таблетки «Аквасепт» - смесь мононатриевой соли дихлоризоциануровой кислоты с различными технологическими добавками. Таблетка растворяется в течение 10-15 мин. и выделяет 4 мг активного хлора, обеспечивающего обеззараживание 700-800 мл воды при условии ее контакта с препаратом в течение 30 мин. Обеззараживающий эффект «Аквасепта» снижается при обработке воды повышенной мутности и цветности. Кроме того, препарат недостаточно эффективен в отношении отдельных вирусов.
Таблетки «Неоаквасепт» - смесь мононатриевой соли дихлоризоциануровой кислоты (38%), адипиновой кислоты (22%), гидрокарбоната натрия (39,5%) и стеарата кальция (0,5%). Содержание активного хлора достигает 10-12%. Обладают хорошей растворимостью в воде (2 мин при температуре 200С), имеют достаточную антимикробную активность и предназначены для обеззараживания относительно чистой воды с низкой цветностью и мутностью. Препарат обладает также длительным действием и может использоваться для консервации (до 2 суток).
Таблетки «Аквасан» - содержат соль дихлоризоциануровой кислоты, коагулянт и другие компоненты. За счет использования флокулянта в таблетке «Аквасан» уменьшается цветность и мутность воды, происходит частичная очистка от нефтепродуктов, ряда тяжелых металлов. Обладая хорошими флокулирующими свойствами, этот препарат обеспечивает хлопьеобразование без регуляции рН обрабатываемой воды. Очистка и осветление воды достигается в течение 10-15 мин независимо от температуры. В теплое время года он обеззараживает воду за 20 мин, в холодное – за 60 мин.
При отсутствии вышеперечисленных средств для обеззараживания небольших количеств воды могут применяться йод, периоксид водорода, перманганат калия. При концентрации йода 6—8 мг/л можно в течение 2 мин получить вполне доброкачественную воду. Периоксид водорода целесообразно использовать в виде готового раствора, содержащего около 3% пергидроля. Бактерицидное действие проявляется при концентрации 3 мг/л и экспозиции 30 мин. Перманганат калия обладает менее выраженным бактерицидным действием, но существенно улучшает органолептические свойства воды. Для обеззараживания пользуются 1% раствором. Эффект наблюдается при концентрациях 7-10 мг/л и экспозиции не менее 30 мин.
В настоящее время разработаны портативные средства, основанные на окислительно-сорбционном принципе очистки воды ("Турист-2М" и "Родник"). "Турист-2М" - средство для обеззараживания индивидуальных и индивидуально-групповых запасов воды, выполненное в виде полиэтиленового мешка емкостью 3 л с вмонтированными фильтрующими элементами. Обеззараживаемая вода набирается в мешок, в который вносится 1 мл 5% раствора йода, и через 10-15 мин контакта фильтруется в чистую емкость. Один мешок рассчитан на обработку 50 л воды.
Водоочиститель "Родник" относится к безреагентным средствам обработки воды. Он представляет собой пластмассовую трубку, заполненную сорбентом, ионообменной смолой и дезинфектантом, легко отщепляющим свободный йод. Очистка и обеззараживание воды происходят в процессе ее просасывания ртом через трубку. Одна трубка рассчитана на очистку до 20 л воды, когда нарастающее сопротивление прохождению обрабатываемой воды через шихту фильтра сделает невозможным дальнейшее ее использование.