Химические и физические методы улучшения качества питьевой воды

Традиционные и новейшие методы улучшения качества воды позволяют даже самую грязную жидкость сделать пригодной к употреблению, в т.ч. в полевых условиях. Достигается высокий уровень очистки вплоть до дистилляции. Наибольшее распространение получили способы, результативность которых можно оперативно проверить.

Зачем нужно улучшать качество воды

В реках, озерах и многих подземных источниках содержится большое количество примесей:

• механических — мелкого песка и грязи;
• химических (растворимых);
• микроорганизмов.

Нередко они присутствуют и в трубопроводах, особенно старых.

Преимущества процедуры

Очистка воды дает следующие результаты:

1. Улучшаются ее органолептические свойства (вкус и запах).
2. Нейтрализуются угрожающие здоровью факторы. Многие из загрязнителей являются болезнетворными.
3. Отфильтровываются механические примеси.
4. Удаляются соли магния и кальция, образующие накипь.
5. Снижается до предельно допустимого значения концентрация железа и тяжелых металлов.

Вода становится пригодной для питья, приготовления пищи и технического применения, не оставляет разводов и ржавых пятен после мытья или стирки.

Осветление и снижение цветности

Эти методы очистки вместе с обеззараживанием считаются основными. Специфический оттенок воды обусловлен содержащимися в ней примесями. Например, соединения железа делают жидкость рыже- желтоватой, органические примеси могут давать зеленоватые оттенки и т.д. Осветление позволяет значительно снизить мутность воды. Существует несколько способов осветления.

Отстаивание

Удаляются механические примеси диаметром более 0,1 мм. Поток воды пропускается через широкий резервуар — отстойник, где его скорость снижается до 2-4 мм/с. За время движения вдоль сооружения тяжелые примеси оседают на дно, легкие — всплывают (гравитационная очистка). Их собирают и откачивают, осветленная жидкость поступает на следующую ступень обработки.

Вертикальные отстойники в виде конуса или пирамиды занимают меньше места. Через центральную трубу жидкость подается на дно и затем движется снизу вверх со скоростью 0,4-0,6 мм/с до края резервуара. Там она переливается в круговой желоб.

К трубам, по которым осуществляется отбор осветленной воды, прикрепляют развернутое книзу колено. Благодаря этому всплывшие загрязнения остаются в отстойнике.

Коагулирование

Удаляются коллоидные примеси, т.е. взвеси из мелкодисперсных частиц. В жидкость вводят реагенты (коагулянты):

• сульфат алюминия;
• сернистое и хлорное железо.

В результате взаимодействия с жидкостью они превращаются в гидратированные окиси. Это труднорастворимые коллоидные вещества с положительно заряженными ионами, собирающиеся в хлопья. Загрязнения, имеющие отрицательный знак, притягиваются к ним и оседают. Рыхлые хлопья обладают большой площадью поверхности, поэтому реагируют со множеством коллоидных примесей. Оседающая масса попутно увлекает на дно многие крупные частицы.

Скорость коагуляции возрастает в присутствии особых синтетических высокомолекулярных соединений (флокулянтов). В частности, широко применяют полиакриламид.

Фильтрование

Отделяются частицы размером менее 0,1 мм. В загрузке фильтра имеется множество мелких пор, через которые просачивается вода. Часто используют насыпные материалы:

• кварцевый песок;
• дробленый гравий и керамзит;
• антрацитовую крошку.

Со временем производительность очистителя снижается. Его восстанавливают одним из следующих способов:

• полной или частичной заменой загрузки;
• обратной промывкой.

Химические методы улучшения качества воды

В основном направлены на уничтожение микрофлоры.

Хлорирование

Метод получил широкое распространение в централизованных системах водоснабжения благодаря ряду достоинств:

• низкой стоимости;
• простой технологии;
• возможности оперативного контроля качества обеззараживания;
• остаточному эффекту (снижается вероятность повторного появления микроорганизмов).

Результативность проверяют замером количества непрореагировавшего активного хлора. Показатель в 0,3-0,5 мг/л свидетельствует о максимальном бактерицидном эффекте.

Яйца гельминтов и цисты простейших обладают устойчивостью к действию данного вещества, некоторые другие формы способны производить резистентные штаммы. Поэтому обработанную воду все равно необходимо кипятить.

Озонирование

Данный метод тоже широко используется в централизованных сетях. По окислительному потенциалу озон превосходит хлор с показателями +1,9 В против +1,359 (В). Бактерицидный эффект в 15-20 раз сильнее, в отношении спор — в 300-600 раз. Помимо всех видов микрофлоры, разрушаются растворенные в воде органические вещества.

Другие достоинства озонирования:

• в отличие от других химических методов не влияет на состав и вкус воды;
• не требует подвоза материалов: газ получают из воздуха путем воздействия на него высоковольтных разрядов.

К недостаткам относят высокую стоимость, взрывоопасность, токсичность и зависимость результативности от физико-химических свойств жидкости. В некоторых случаях могут образовываться ядовитые вещества и канцерогены.

Максимально допустимое остаточное количество веществ в воде после ее обработки составляет 0,2-0,5 мг/л. Превышение этого показателя приводит к ускоренной коррозии металлических деталей трубопровода.

Использование серебра и меди

Ионы этих металлов сначала накапливаются в оболочке микроба, затем проникают внутрь и блокируют деятельность некоторых клеточных структур. Вирусы повреждаются только при высоких концентрациях (до 10 мг/л), споры обладают устойчивостью. ПДК для человека составляет 0,05 (мг/л).

Удобнее всего вводить серебро в воду при помощи электрода. Между ним и резервуаром через жидкость пропускают постоянный ток. Этот способ позволяет автоматизировать процесс обеззараживания и регулировать дозировку.

Альтернативный вариант состоит в пропускании воды через слой песка, обработанного солями серебра. При этом одновременно с обеззараживанием производится удаление механических примесей.

Из-за высокой стоимости и дефицитности металла его используют для обработки небольших объемов жидкости. Существенное преимущество заключается в остаточном бактерицидном последействии, что позволяет хранить очищенную питьевую воду в течение полугода. В этом нуждаются флот и некоторые военные объекты.

Бактерицидный эффект у меди слабее, чем у серебра — требуется более высокая концентрация. На результат оказывают влияние физико-химические свойства воды.

С помощью перекиси водорода

В силу высокой стоимости метод не получил широкого распространения. Данное вещество распадается на воду и атомарный кислород. Таким образом, состав и вкус жидкости остаются постоянными. В результате окисления происходит обеззараживание и осветление воды. Токсичные вещества ни при каких условиях не образуются.

Перекисью очищают небольшие объемы воды на автономных объектах. Существуют катализаторы, ускоряющие распад ее молекул. С их применением время обработки сокращается.

С помощью йода

Метод обладает рядом преимуществ:

• действует быстрее хлора;
• не влияет на вкусовые качества воды;
• помимо бактерий, поражает вирусы.

Это делает йодирование многообещающим направлением в сфере гигиены воды.

При концентрации реагента в 0,3-1 мг/л обеззараживание происходит в течение 20-30 минут. При необходимости ускорить процесс дозу увеличивают до 2 мг/л.

Физические методы

В отличие от химических такие способы не влияют на состав и органолептические свойства воды.

Кипячение

Жидкость нагревают до температуры +100°С следующими средствами:

• открытым пламенем;
• электронагревателями;
• паром;
• высокотемпературной плазмой;
• горячим воздухом.

Большинство микроорганизмов погибает за несколько минут, особо устойчивые споры, например столбняка, — в течение часа.

Метод обладает рядом достоинств:

1. Простотой исполнения, доступностью в полевых условиях.
2. Высокой скоростью обеззараживания.
3. Безопасностью для исполнителя.
4. Высокой эффективностью независимо от физико-химических показателей воды.
5. Возможностью автоматизации.

Основной недостаток заключается в высокой энергоемкости.

Ультрафиолетовое облучение

Вызывает необратимые повреждения в ДНК, РНК и белковых структурах микроорганизмов. Попутно в воде образуются свободные радикалы, усиливающие бактерицидный эффект.

Параметры облучения:

• длина волны — 250-260 нм (наиболее результативный диапазон);
• доза — 16 МДж/см²;
• время обработки — несколько секунд.

Метод характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью. Но его эффективность зависит от прозрачности воды и ее химического состава: соли марганца, железо и гуминовые кислоты осаждаются на кварцевом чехле лампы и снижают интенсивность облучения.

Ультразвук

Генерируется магнитострикционными и пьезоэлектрическими установками. Губительно воздействует на широкий спектр микроорганизмов независимо от прозрачности и химического состава воды. Но на эффективность оказывают влияние ее температура и вязкость.

Недостатки метода:

• высокая стоимость — в 2-4 раза дороже ультрафиолетовой обработки;
• сложность оборудования, существенно возрастающая с увеличением производительности.

Воздействие высокочастотного звука на микрофлору досконально не изучено, поэтому пока отсутствуют методики расчета длительности и интенсивности обработки.

Ионизирующее излучение

Обладает сильным обеззараживающим эффектом и высокой проникающей способностью. Не зависит от цветности, мутности и прочих физико-химических показателей воды. Результативность определяется дозой:

• 2500-5000 Р — гибнут бактерии;
• 10000 Р — разрушаются вирусы.

Облучение вызывает несовместимые с жизнью изменения на молекулярном уровне. Попутно в результате радиолиза воды образуются свободные радикалы, усугубляющие бактерицидный эффект.

Метод дешев, но потенциально опасен для обслуживающего персонала. Требуется строгое соблюдение правил техники безопасности.

Обратный осмос

Используется мембрана с ячейками размером от 0,0001 до 0,001 мкм. Она называется полупроницаемой, поскольку пропускает только молекулы воды и некоторые другие, равные им по размеру.

Более крупные отсеиваются, среди них:

• вся микрофлора, включая наиболее мелкую;
• органические соединения;
• ионы натрия;
• соли жесткости, нитраты, сульфаты;
• красители;
• железо и тяжелые металлы.

Очищенная вода является практически дистиллированной. Считается, что ее употребление в качестве питьевой вредит здоровью, поэтому прибегают к искусственной минерализации.

Вода движется сквозь мембрану под действием давления в 3 атм. Без него направление было бы обратным — в сторону раствора с большей концентрацией солей. Такая диффузия называется осмосом.

Мембрана быстро засоряется. Чтобы продлить срок ее службы, воду подвергают предварительной очистке более грубыми методами.

Комбинированные методы улучшения качества воды

Для достижения максимального результата некоторые из перечисленных способов применяют совместно. Например, сочетают следующие химические реагенты:

1. Хлор и перекись водорода либо озон.
2. Серебро и медь.
3. Перекись водорода и озон.

В результате снижаются дозировки, сокращается время обработки.

Примеры сочетаний физических методов:

1. Ультрафиолетовое облучение и обработка высокочастотным звуком.
2. Разные виды электрического воздействия.
3. Кипячение с ионизирующим облучением или высокочастотным звуком.

Физические методы совмещают с химическими, например применяют ультрафиолетовое облучение совместно с ионами серебра

.

Механические методы

Наибольшее распространение получили:

• ультрафильтрация;
• сорбционная технология.

Первый вариант похож на обратный осмос. Разница состоит в следующем:

• полупроницаемая мембрана имеет более крупные поры — 0,01-0,1 мкм;
• требуется в 3 раза меньшее давление — 1 атм.

В результате ультрафильтрации отсеиваются взвеси из макромолекул и коллоидных частиц. Они делают воду мутной и придают ей цветность.

Принцип сорбционной технологии состоит в способности некоторых пористых материалов удерживать на своей поверхности вещества за счет межмолекулярного взаимодействия. В основном используют активированный уголь. Марку подбирают в соответствии с видом примесей:

1. Фенол, толуол и прочие монозагрязнители — АА, КАД-1, АРМ (микропористый).
2. Органические вещества — АБД, АГ-3, ДАУ (имеют полидисперсную пористую структуру).
3. Соединения тяжелых металлов — ЛАУ, АБД (высокозольные и углеминеральные).

Для определения вида примесей воду подвергают химическому анализу. В г. Тюмени такую услугу предлагает компания «Кванта+», располагающая собственной лабораторией.

Специальные методы улучшения качества воды

Ряд санитарно-гигиенических мероприятий направлен на удаление соответствующих загрязнителей.

Обезжелезивание (с аэрацией)

Метод применяют для обработки воды из подземных источников. Часто она содержит избыток железа в виде двууглекислых солей, придающих жидкости неприятный вкус и формирующих осадок на трубах. При контакте с воздухом такие соединения превращаются в нерастворимые гидраты окиси, которые можно удалить отстаиванием или фильтрованием.

Аэрацию осуществляют 2 способами:

• компрессором;
• при помощи градирни.

Попутно удаляются сероводород и свободная углекислота.

Умягчение

Цель обработки — удаление ионов кальция и магния. Их соли кристаллизуются при температуре от +80°С и образуют рыхлый налет — накипь.

Умягчение производят такими способами:

• нагревом;
• ионным обменом;
• с помощью реагентов.

В последнем случае чаще всего используют известь и соду. Реагенты вводят последовательно. Известь взаимодействует с солями кальция и магния и превращает их в нерастворимые карбонаты. Затем вводят соду для преобразования и осаждения сульфата калия. Отфильтрованные нерастворимые вещества нельзя сбрасывать в естественный водоем.

Нагрев позволяет умягчить воду без изменения состава. Но он действует только на бикарбонатные соли. Они кристаллизуются и оседают на стенках резервуара.

Принцип действия ионного обмена состоит в замещении кальция и магния ионами натрия. Для этого воду пропускают через измельченную смолу. Этот же способ применяется для удаления марганца, железа, прочих металлов и органики.

Опреснение, обессоливание

Первый метод предназначен для обработки морской воды. В результате концентрация солей в ней снижается до 1000 мг/л. Такую воду можно пить и использовать для приготовления пищи.

С помощью обессоливания готовят теплоноситель для систем отопления. При использовании обыкновенной воды теплообменник котла быстро зарастает накипью. Для предотвращения этого соли полностью удаляют из воды.

Используют методы:

• дистилляции;
• ионного обмена;
• электродиализа;
• обратного осмоса.

Первый способ состоит в нагреве воды с последующей конденсацией пара.

В процессе электродиализа положительно и отрицательно заряженные ионы солей перемещаются к электродам, подключенным к источнику постоянного напряжения. Резервуар делят 2 полупроницаемыми мембранами на 3 части. В крайних находятся электроды, в среднем получают раствор нужной концентрации.

Обесфторивание и фторирование

Обесфторивание осуществляют следующими способами для вод:

1. Поверхностных — реагентным.
2. Подземных — с применением фильтра.

Оба метода основаны на способности окиси алюминия и магния сорбировать фтор. В основном его избыток наблюдается в подземных источниках.

Фторирование представляет собой противоположный процесс. Питьевую воду обогащают фтором для обеспечения хорошего состояния зубов. Вводят вещества:

• фторид натрия;
• кремнефтористую кислоту или ее соли;
• фторид-бифторид аммония.

Процедуру осуществляют после всех ступеней очистки. Необходимо контролировать концентрацию фтора, чтобы не превысить допустимый предел.