Описание технологических методов

■ Аэрация, напорная и безнапорная.

Аэрация - процесс, целью которого является окисление железа и марганца, а также компенсация дефицита кислорода в исходной воде и освобождение воды от нежелательных или избыточных газов - углекислого газа и сероводорода.

Методы аэрации можно классифицировать по способу контакта жидкой и газовой фаз: стекание воды по поверхности, разбрызгивание воды в воздухе и ввод воздуха в жидкость. Различают аэраторы со свободной поверхностью и напорные.

■ Дегазация, атмосферная и вакуумная.

Основное назначение - удаление кислорода, сероводорода, углекислого газа. В результате повышается уровень рН, снижается агрессивность воды. Для частичного удаления углекислого газа процедура осуществляется с помощью разбрызгивания, барботажа, механического диспергирования. Все системы отдувки являются противоточными. Для более глубокого удаления газов применяются вакуумные дегазаторы.

■ Микрофильтрация.

Применяется для удаления из поверхностной воды водорослей, планктона на барабанных и дисковых микрофильтрах, оборудованных фильтрующими элементами из тонкой металлической или пластмассовой сетки с размером отверстий 20^60 мкм (микрофильтры) и 0.3^0.5 мм (барабанные сетки).

■ Химическое окисление: хлор, гипохлорит, озон, перманганат калия.

Возможные области применения основных окислителей: окисление железа и марганца, аммонийного азота, снижение цветности органических соединений. Ограничения в применении окислителей:

- при применении хлора - образование хлорорганических соединений и появление привкусов;

- при применении озона возможно образование броматов;

- при применении перманганата калия возможно появление окрашивания воды и осадка.

_§ коагуляция - флокуляция, во флокуляторах с принудительным перемешиванием, сульфатом или оксихлоридами алюминия.

Коагулирование воды - процесс обесцвечивания и осветления природной воды с применением реагентов - коагулянтов, которые при взаимодействии с гидрозолями и растворимыми примесями образуют осадок. Используется для подготовки воды к операциям отстаивания, флотации и фильтрации. Процесс коагулирования проводится в две ступени: смешение реагента с водой и флокуляция. Обычное время флокуляции составляет 12 - 15 минут, однако при температуре воды 1°Соно составит до 18 - 22 минут.

В процессе флокуляции примеси образуют флокулы - хлопьевидный осадок, который из-за значительного размера удаляется из воды отстаиванием, флотацией или фильтрованием.

_§ Отстаивание, традиционное и тонкослойное, осветление в слое взвешенного осадка. Распространенный процесс разделения твердой и жидкой фаз. Выбор метода и параметры зависят от гидравлической крупности частиц, выделяемых из воды.

Применяется в случаях значительного содержания взвешенных веществ, превышающего экономически обоснованную грязеёмкость механических фильтров.

_§ Флотация.

Флотация представляет собой процесс разделения фаз: жидкость - твердое вещество, применяемый в отношении частиц, плотность которых меньше плотности жидкости.

Флотация происходит в присутствии реагентов под действием микропузырьков воздуха, который растворяется в воде под давлением. Удельные нагрузки воды во флотаторах значительно превышают соответствующие нагрузки в отстойниках и осветлителях.

_§ Фильтрация на кварцевом песке или других инертных материалах, одноступенчатая и двухступенчатая.

Фильтрация на кварцевом песке или других инертных материалах может осуществляться в напорном и безнапорном режимах, и представляет из себя процесс разделения жидкости и взвешенных веществ при прохождении через пористую среду, теоретически задерживающую все частицы взвешенных веществ и пропускающую жидкую фазу фильтрации.

Основным технологическим параметром процесса фильтрации является грязеёмкость фильтра между циклами регенерации.

В технологической линии двойной фильтрации применяются две последовательные ступени. На первой ступени используется песок с повышенным эффективным размером частиц, и в нем происходит грубая фильтрация. На второй ступени фильтрация с однослойной тонкой (песок) или двуслойной загрузкой.

_§ Фильтрация на ультрафильтрационных мембранах, вакуумная и напорная. Мембранная ультрафильтрация пропускает воду и растворенные в ней соли, задерживает взвешенные вещества, коллоиды, крупные растворенные формы (макромолекулы) и специфические загрязнения, такие как бактерии, вирусы. Размер пор ультрафильтрационных мембран составляет 0,01 - 0,05 мкм.

Напорная ультрафильтрационная мембрана имеет более высокие скорости фильтрации в сравнении с вакуумной. В отличие от фильтрации на кварцевом песке или других инертных материалах, ультрафильтрационные мембраны не имеют ограничений по грязеёмкости. Обеззараживающий фактор ультрафильтрационных мембран на порядок выше, чем у ультрафиолетового облучения.

_§ Доочистка активированным углем.

Рационально использовать на завершающей стадии очистки воды для удаления запахов, привкусов и хлорорганических соединений при обеспечении нормативного качества воды по показателям железа, марганец, цветность, окисляемость на предшествующих стадиях очистки. Срок службы активированного угля имеет существенные ограничения при применении предварительного хлорирования. Предварительное озонирования воды с минимальными дозами (1…1,5 г/м³) способствует более эффективному и качественному удалению запахов, привкусов и хлорорганических соединений из воды, а также продлению срока службы угольной загрузки.

■ Обеззараживание хлорсодержащими реагентами.

Необходимость и режимы обеззараживания воды при подаче в водопроводную сеть устанавливается органами Роспотребнадзора и обеспечивается с применением жидкого хлора или гипохлорита натрия. Применение жидкого хлора связано с высокими требованиями к безопасности его хранения и транспортировки. В этой связи предпочтение часто отдают альтернативной технологии обеззараживания с использованием гипохлорита натрия.

В водопроводных сетях значительной протяженности интерес представляет применение технологии хлораммонизации.

■ Корректировка активной реакции pH воды, подаваемой в сеть.

Процедура корректировки водородного показателя рН воды, подаваемой в сеть, заключается в корректировке кальций - углеродного равновесия, для защиты сооружений и сети от коррозии или от образования солевых отложений, а также для защиты здоровья потребителей. Основным реагентом корректировки рН воды является известь.

Комплексные технологические решения по выбору перспективных технологий находятся в зависимости от анализа качества исходной воды и должны включать оптимальный набор для каждого конкретного объекта. В качестве примера можно использовать данные таблицы 16, 17.

Таблица 16. Комплексные технологические решения по выбору технологий.

Таблица 17. Варианты апробированных решений для

очистки подземных вод.

Обеззараживание воды.

При хлорировании в воде образуются новые хлорорганические соединения, являющиеся продуктами трансформации загрязнений. Употребление воды, содержащей галогенсодержащие соединения (ГСС), приводит к угнетению иммунной системы, заболеваниям печени, почек, поджелудочной и щитовидной железы, центральной нервной системы, но главное – ряд ГСС являются канцерогенами (приложение 2).

Некоторые приоритетные вещества, образующиеся в процессе водоподготовки и транспортировки, в том числе при хлорировании воды, представлены в приложении 3.

К росту содержания ГСС в питьевой воде приводит увеличение дозы подаваемого хлора или высокое содержание в обрабатываемой воде общего органического углерода. Основная часть ГСС образуется в течение первых 2 - 4 часов после ввода хлора. Молекулы ГСС имеют относительно небольшие размеры и с трудом поддаются удалению современными методами водоподготовки. Поэтому усилия специалистов должны быть направлены не на удаление, а на предотвращение образования галогенсодержащих соединений.

Таким образом, должна быть проведена коррекция схем хлорирования, предполагающая отказ от подачи высоких доз хлора в неочищенную речную воду или перенос места ввода основнойдозы хлора в конец технологической схемы водоподготовки.

Снижению дозы первичного хлорирования способствуют процессы коагуляции и флокуляции, в том числе с использованием синтетических полиэлектролитов. Синтетические органические высокомолекулярные коагулянты могут применяться совместно с неорганическими (соли алюминия и железа) или, что характерно для современных технологий очистки воды, в качестве самостоятельных основных реагентов. Высоко молекулярные флокулянты применяются, как правило, для увеличения эффекта очистки воды после ее коагуляции. Синтетические полиэлектролиты сами по себе являются малотоксичными соединениями, но могут содержать мономеры и примеси, представляющие очень высокий риск для здоровья населения. Реальная минимизация риска для здоровья населения может быть достигнута в условиях соответствующего контроля качества реагентов и обоснования максимально допустимой дозы, обеспечивающей безопасное их использование в технологиях очистки воды.

В обработанной воде следует проводить соответствующий контроль:

- полиамины (полиэпихлоргидриндиметиламины, полиЭПИ-ДМА) - по показателям эпихлоргидрин, диметиламин, 1,3-дихлор-2-пропанол, 2,3-дихлор-1-пропанол;

- полидиаллилдиметиламмоний хлориды (полиДАДМАХ) – по показателям остаточного количества полиДАДМАХ и ДАДМАХ;

- полиакриламиды (НАПАА, КПАА) – по показателям акриламид и акриловая кислота.

Порядок надзора за их применением изложен в МУ 2.1.4.1060-01 «Санитарно-эпидемиологический надзор за использованием синтетических полиэлектролитов в практике питьевого водоснабжения».

Возможно использование других реагентов, в частности, полигексаметиленгуанидана [ПГМГ], который при совместном применении с коагулянтами обеспечивает снижение показателя цветности, снижение показателя мутности более чем на 90%, что актуально для регионов Европейского Севера. Технологическая и гигиеническая эффективность использования ПГМГ была доказана производственными испытаниями на Череповецком водоканале.

Следует отметить, что ПГМГ и входящие в его состав мономеры не относятся к канцерогенным веществам и, следовательно, не формируют канцерогенный риск для населения, в отличие от ГСС при хлорировании. В целом полимерные электролиты эффективны для устранения вирусов, цист простейших и одноклеточных водорослей.

В последнее время в России интенсифицировался процесс замены в водопроводной практике газообразного или сжиженного хлора на гипохлорит натрия. При этом устраняется два вида опасного воздействия хлора – его высокая острая токсичность при ингаляции и взрывоопасность. По всем другим неблагоприятным для здоровья свойствам хлор и гипохлорит натрия не различаются.

К хлорсодержащим средствам обеззараживания воды относится также диоксид хлора. В отличие от хлора, диоксид хлора не вступает в реакции замещения (хлорирования) с примесями, содержащимися в воде, а только в реакции окисления, и поэтому практически не образует хлорорганических соединений. Это важное свойство определяет преимущество использования диоксида хлора по сравнению с хлором.

Вместе с тем, диоксид хлора в питьевой воде в результате реакции диспропорционирования трансформируется в хлорит- и хлорат-анионы, которые обладают токсичными свойствами. Это обстоятельство ограничивает допустимую дозу диоксида хлора в воде и вызывает необходимость в нейтрализации продуктов трансформации, что усложняет и удорожает технологию его применения.

Эффективным агентом водоподготовки является озон. Преимущества озона перед хлором состоят в том, что озон улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает бактерицидный эффект при меньшем времени контакта. Вместе с тем, при обработке воды озоном в ней могут образовываться продукты озонолиза органических веществ в виде карбонильных соединений (альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, броматы). Среди них наиболее опасны из-за своей токсичности формальдегид и броматы, относящиеся к канцерогенным веществам.

При озонировании цветных вод может происходить повышение концентрации фенола в обработанной воде в результате деструкции гумусовых соединений. Частичная деструкция гумусовых соединений обуславливает появление в воде биоразлагаемых органических веществ, являющихся источником углерода для бактерий; создает потенциальную возможность вторичного роста микроорганизмов в резервуарах чистой воды, в распределительных сетях.

Опасность других продуктов озонолиза для здоровья возрастает в случае комбинации в схеме обработки воды озонирования и последующего хлорирования. При этом могут образовываться хлорированные продукты озонолиза, обладающие мутагенными и канцерогенными свойствами, что часто требует применения в дальнейшем сорбционной очистки.

В целом, в большинстве случаев в коммунальном хозяйстве в реальной технологической практике озонирование рассматривается как мощная комплексная технология очистки природных вод в сочетании с другими технологиями. Чаще всего применяется «преозонирование» - первичное озонирование в небольших дозах 1,5-2,0 мг/л, что позволяет эффективно проводить окисление различных примесей содержащихся в исходной воде и в сочетании с другими технологиями достичь хороших результатов по водоподготовке, так же весьма распространено применение озонирования в сочетании с сорбционной очисткой «озоно-сорбция» позволяющей нивелировать побочные продукты озонирования, улучшить органолептические показатели очищенной воды и повысить барьерную роль очистных сооружений. Данные методы применяется на ряде водопроводных станций – Нижний Новгород, Москва, Санкт-Петербург, Ярославль, Курган и др.

Жесткие ограничения по широкому спектру побочных продуктов, образующихся в результате нерационального применения окислительных методов, необходимость обеспечения обеззараживания воды в отношении устойчивых к хлору микроорганизмов, обосновывают целесообразность, так называемой, комплексной концепции множественных барьеров. Данная концепция предполагает применение технологий, сочетающих химические окислительные и физические методы очистки.

В рамках этих подходов, одним из самых безопасных и, в то же время, максимально эффективным в отношении всего спектра микроорганизмов методом обеззараживания является ультрафиолетовое излучение, позволяющее обеспечить с высокой степенью эффективности инактивацию устойчивых к хлорированию вирусов, цист лямблий, ооцист криптоспоридий, спор сульфитредуцирующих клостридий.

Комбинация УФ облучения и хлорирования позволяет обеспечить эпидемическую безопасность воды и создает условия для корректировки регламента хлорирования с целью снижения в воде концентраций побочных продуктов. В зависимости от поставленных задач и технологической схемы водоподготовки, УФ облучение может использоваться в различных точках технологической цепи. Определяющим фактором в выборе места размещения УФ оборудования является качество воды на различных этапах очистки.

Установлено также, что обработка УФ облучением очищенной воды, содержащей соединения хлора на уровне 1,0-1,2 мг/л, является безопасным процессом, не сопровождающимся образованием дополнительных побочных токсичных продуктов.

Комбинация ультрафиолетового облучения с современными методами глубокой очистки (озонирование и мембранная фильтрация) обеспечивает высокую степень удаления из воды органических соединений. Озонирование воды, предшествующее УФ обеззараживанию, уже много лет применяется в Финляндии, Канаде, США. В России водоподготовка на основе совместного использования современных технологий хлорирования, озонирования и ультрафиолетового облучения применяется, в частности, на Слудинской водопроводной станции г. Нижний Новгород.

В последнее десятилетие в коммунальном хозяйстве осваиваются методы мембранной фильтрации. Эти технологии предназначены, в основном, для решения задач очистки природных вод в общих комплексах водоподготовки. Использование мембранных установок часто позволяет отказаться от первичного хлорирования, что снижает опасность образования хлорорганических соединений. Ультрафильтрацию можно рассматривать и как эффективное средство обеззараживания воды в отношении патогенных микроорганизмов, таких как ооцисты Cryptosporidium, бактерии Escherichia coli, Salmonella, Shigella.

В общем случае отсутствие последействия требует применения хлорирования, к тому же, ультрафильтрация не всегда эффективна для удаления вирусов.

Перспективным направлением совершенствования процессов очистки природных вод является биосорбционно-мембранная технология. Предварительная обработка воды по данной технологии позволяет уменьшить при последующем хлорировании образование токсичных хлор- и броморганических соединений на 40-50% за счет удаления в биореакторе органических загрязнений.

В настоящее время разрабатываются и уже частично реализованы на практике новые технологические процессы очистки и обеззараживания воды с применением нанореагентов, синтетических и природных наносорбционных материалов. Научный и практический интерес имеют разработки по использованию бактерицидной и фунгицидной эффективности традиционных и перспективных дезинфектантов на основе наночастиц металлов, способных оказывать биоцидное действие.

Разработана технология изготовления и применения реагента нового поколения – алюмокремниевого флокулянта-коагулянта АКФК, в котором используются алюминиевая и силикатная составляющие. Перспективность АКФК определяется его универсальностью и высокой эффективностью при решении различных задач: осветление и очистка воды от взвешенных частиц, от растворимых и малорастворимых органических веществ, от ионов металлов; данная технология позволяет расширить температурный режим использования реагентных методов.

Действие АКФК основано на образовании комплексных соединений с развитой сорбционной поверхностью в результате интеграции отдельных процессов в единую систему. Механизм очистки воды реализуется за счет объемной сорбции загрязнителей на самоорганизующихся алюмокремниевых комплексах.

Разрабатываются технологии очистки поверхностных вод с применением нанофильтрационных аппаратов, в которых сорбционные материалы на основе гидроксилатов магния позволяют очищать природные воды одновременно от железа, марганца, фтора и бора.

Широким спектром антимикробного действия за счет малых размеров и значительной удельной поверхности обладают наночастицы серебра. В экспериментальных условиях установлено биоцидное действие наночастиц серебра в отношении модельной бактериальной микрофлоры (Е.соli) и вирусной микрофлоры (РНК-содержащие фаги MS-2) в воде. Инактивация модельных микроорганизмов происходит значительно более интенсивно в процессе фильтрования воды через модифицированные кластерами наносеребра фильтры по сравнению с контролем (угольный фильтр без нанесения наночастиц).

В связи со способностью модифицированных наночастиц серебра длительное время сохранять бактерицидные свойства рациональным является добавление его в фильтрующие материалы, лаки, краски и другие покрытия баков аккумуляторов и резервуаров чистой воды.

Физико-химические и биологические, в т.ч. токсические, свойства наночастиц и наноматериалов на их основе являются результатом не только их химического состава, но и таких характеристик, как геометрические характеристики, размер, форма, число наночастиц, величина площади поверхности, которые и определяют их реакционную способность. Таким образом, использование в системах водоподготовки нанотехнологий может быть реализовано только после разработки и утверждения соответствующей нормативно-методической базы

Использование методологии оценки риска здоровью в практике выбора технологии водоподготовки (версия ФБУЗ СПБ).