Гигиена воздуха. гигиена водух. Гигиенический контроль за состоянием воздушной и водной среды
 Скачать 1.38 Mb.
|
|
Коагулирование воды Сущность процесса коагуляции состоит в том, что вещест- ва, находящиеся в воде в коллоидном состоянии, свертываются, образуют хлопья и выпадают в осадок. Осветление воды коагу- лированием применятся, прежде всего, с целью освобождения ее от мутности и цветности, обусловленных коллоидными взве- сями. Коагуляция происходит под влиянием химических реаген- тов – коагулянтов, в качестве которых применяют соль алюминия А1 2 (SО 4 ) 3 * 18Н 2 О, сернокислое железо FeSO 4 * 7Н 2 О и хлорное железо FеС1 3 * 6Н 2 О. Вода, обладающая значительной цветностью и мутностью, представляет собой полидисперсную систему, содержащую элек- тролиты, коллоидные частицы (главным образом гуминовые кис- лоты и их соли) и грубодисперсные примеси. Коагулянты, будучи растворены в воде, подвергаются гидролизу с образованием труд- норастворимых гидратов окисей хлопьевидной структуры. Al 2 (SO 4 ) 3 + 3Ca(HCO 3 ) 2 = 2 Al(OH) 3 + 3Ca SO 4 + 6 CO 2 Al 2 (SO 4 ) 3 + 3Mg(HCO 3 ) 2 = 2 Al(OH) 3 + 3Mg SO 4 + 6 CO 2 Коагуляция воды производится с целью освобождения ее от взвешенных частиц, обуславливающих мутность. Наряду с этим на фильтре частично задерживаются микроорганизмы, некото- рые ядовитые и радиоактивные вещества, снижаются цветность, окисляемость воды. При взаимодействии положительно заряженного коллоида гидрата окиси алюминия с отрицательно заряженными коллои- 104 105 дами воды происходит потеря заряда, приводящая к агломерации коллоидных частиц и выпадению их в осадок. Рыхлые хлопья самого коагулянта обладают огромной актив- ной поверхностью (десятки квадратных метров на 1 г осадка), на которой адсорбируются коллоидные частицы и более грубые взвеси (последние в большей мере захватываются механически), и оседают вместе с ними на дно, осветляя воду. На эффективность коагуляции влияют активная реакция и щелочность воды, интенсивность её перемешивания, количест- во грубой взвеси, температура. Для вод различного состава долж- ны подбираться разные дозы коагулянта. Для ускорения процесса коагуляции применяют флоккулян- ты – высокомолекулярные синтетические соединения. Примене- ние флокуллянтов позволяет ускорить процесс коагуляции, уве- личить скорость восходящего движения воды в осветлителях со слоем взвешенного осадка, уменьшить время пребывания воды в отстойниках за счет увеличения скорости осаждения хлопьев, увеличить скорость фильтрования и продолжительность филь- троцикла. Фильтрование воды Фильтры классифицируют по скорости фильтрования на медленные (0,1–0,3 м/ч) и скорые (5–0 м/ч), по направлению фильтрующего потока – одно- и двухпоточные, по числу филь- трующих слоев – одно- и двухслойные. Фильтр с зернистой загрузкой представляет собой железобе- тонный резервуар, заполненный фильтрующим материалом в два слоя. Фильтрующий слой выполняют из материала, обладающего достаточной прочностью (кварцевый песок, антрацитовая крош- ка, керамзит). Поддерживающий слой служит для того, чтобы мелкий фильтрующий материал не уносился вместе с фильтруе- мой водой через отверстия. Он состоит из слоев гравия или щеб- ня разной крупности, постепенно увеличивающейся сверху вниз от 2 до 40 мм. Фильтрование воды осуществляется двумя методами, прин- ципиально отличающимися друг от друга. Пленочное фильтрова- ние предполагает образование пленки из ранее задержанных при- месей воды в верхнем слое фильтрующей загрузки. Вследствие механического осаждения частиц взвеси и их прилипания к по- верхности зерен вначале загрузки уменьшается размер пор. Затем на поверхности песка развиваются водоросли, бактерии и про- чие процессы, дающие начало илистому осадку, состоящему из минеральных и органиче ских веществ (биологическая пленка). Образованию пленки способствуют: малая скорость фильтрации, большая мутность воды, значительное содержание фитопланкто- на. Пленка достигает толщины 0,5–1 мм и больше. Биологическая пленка играет решающую роль в работе так называемых медленных фильтров. Помимо задержания мель- чайшей взвеси, пленка задерживает бактерии (уменьшая их ко- личество на 95–99 %), обеспечивает сни жение окисляемости (на 20–45 %) и цветности (на 20 %) воды. Медленные фильтры, от- личающиеся простотой устройства и эксплуатации, были первы- ми очистными сооружениями городских водопроводов в нача- ле XIX века. В дальнейшем, в связи с ростом водопотребления и мощностей водопроводов, они уступили место скорым фильтрам, преимуществом которых является большая производительность и меньшая площадь, что важно в условиях современного города. Медленные фильтры сооружают с загрузкой фильтрующе- го слоя из кварцевого песка высотой 800–850 мм и поддержи- вающего слоя гравия или щебня высотой 400–450 мм. Скорость фильтрации составляет 0,1–0,3 м/ч. Профильтрованная вода со- бирается дренажной системой, расположенной на дне фильтра. Очистка фильтра производится через 10–30 суток вручную, пу- тем снятия верхнего слоя песка толщиной 15–20 мм и подсыпки свежего. После очистки фильтра вода и фильтрат идут на сброс в течение нескольких днейдо образования биологической пленки. Скорые фильтрыустроены несколько сложнее. Они имеют специальную подготовку чистой воды для промывания под напо- ром и лотки для сбора и отведения промывной воды. Вода на ско- рые фильтры должна подаваться, как правило, после коагуляции. Фильтрующая пленка создается очень быстро, главным образом за счет хлопьев коагулянтов. Скорость фильтрации достигает 5–7 м/ч, то есть в 50–70 раз быстрее, чем в медленных фильтрах. 106 107 Это обстоятельство позволяет фильтровать большее количество воды через сравнительно небольшие фильтрующие площади. Объемное фильтрование, осуществляемое на скорых фильтрах, является физико-химическим процессом. При объемном филь- тровании механические примеси воды проникают в толщу филь- трующей загрузки и адсорбируются под действием сил молеку- лярного притяжения на поверхности ее зерен и ранее прилипших частиц. Чем больше скорость фильтрования и чем крупнее зерна загрузки, тем глубже проникают в ее толщу загрязнения и тем равномернее они распределяются. Высота слоя воды над поверхностью загрузки должна быть не менее 2 м. В процессе работы фильтра вода проходит фильтрую- щий и поддерживающий слои и через распределительную систему направляется в резервуар чистой воды. По окончании фильтрации производится промывка фильтра. При увеличении сопротивления больше допустимой величины, фильтрующая пленка снимается промыванием чистой водой, пускаемой в фильтр снизу вверх под напором. Такое промывание приходится делать 1–2 раза в сутки в зависимости от степени мутности фильтруемой воды. Промывку фильтров производят обратным током чистой профильтрованной воды путем ее подачи под необходимым на- пором в распределительную сеть, со смывом промывной воды в канализационную систему. Промывная вода, проходя с большой скоростью (в 7–10 раз большей, чем скорость фильтрования) че- рез фильтрующую загрузку снизу вверх, поднимает и очищает ее. Продолжительность промывки скорых фильтров 5–7 мин. В фильтрах с двухслойной загрузкой над слоем песка ди- аметром частиц 0,5–1,2 мм насыпается также слой дроблено- го антрацита или керамзита в 0,4–0,5 м с размером частиц 0,8– 1,8 мм. В таком фильтре верхний слой, состоящий из более круп- ных зерен, задерживает основную массу загрязнений, а песча- ный – их остаток, прошедший через верхний слой. Плотность антрацита (керамзита) меньше плотности песка, поэтому после промывки фильтра послойное расположение загрузки восстанав- ливается самостоятельно. Скорость фильтрации в двухслойном фильтре 10–12 м/ч, что в два раза быстрее, чем в скором. Контактный осветлитель, как и скорый фильтр, загружен гравием и песком, но совмещает в себе процессы коагуляции, ос- ветления и фильтрации воды. Вода подается снизу через распределительную систему из дырчатых труб вместе с раствором коагулянта, и хлопья образу- ются в толще загрузки. Такой вид коагуляции получил название контактной в отличие от обычной, протекаю щей в свободном объеме. Контактная коагуляция имеет отличия от объемной. Образо- вание хлопьев при соприкосновении с зернистой загрузкой про- исходит гораздо быстрее и к тому же при меньших дозах коагу- лянта. Хлопья фиксируются на поверхности зерен и адсорбируют на себе взвесь. В слое гравия задерживается более крупная взвесь, что снижает заиливание песка, толщина слоя песка – 2 м – вдвое больше обычных скорых фильтров, что еще более повышает гря- зеемкость и удлиняет время между промывками. Промывная вода подается, как обычно, снизу вверх и удаляется по желобам. Ско- рость фильтрации – 4–5 м/ч. Взвесь успешно задерживается при первоначальном ее содержании не более 150 мг/л. Основное преимущество контактных осветлителей состоит в том, что отпадает необходимость в отстойниках и камерах ре- акций. Под обеззараживанием воды понимается, в первую очередь, освобождение ее от патогенных микроорганизмов. Умягчение воды Умягчение – это снижение природной жесткости воды пу- тем удаления катионов кальция (Са 2 +) и магния (Mg 2 +). Мето- ды умягчения воды делятся на: а) реагентный метод (наиболее распространен известково-содовый). Известь, внесенная в воду в большем количестве, чем нужно для связывания углекислоты, вступает в реакцию с бикарбонатными солями кальция и перево- дит их в карбонатные соли, выпадающие в осадок: Са(НСО 3 ) 2 + Са(ОН) 2 = 2СаСО 3 + 2Н 2 О. Остается сульфатная жесткость, для устранения которой вво- дится раствор соды. CaSO 4 + NaSCO 3 = Na 2 SO 4 + CaCO 3 ; 108 109 б) катионитное умягчение основано на свойстве некоторых нерастворимых веществ обменивать ионы натрия, водорода и другие – на ионы кальция, магния, извлекая их из воды и тем са- мым, умягчая ее. Процесс этот происходит при фильтрации воды через катиониты на так называемых ионообменных фильтрах. В качестве катионов используются ионообменные смолы. Их преимущество: стойкость, высокие пористость и площадь сопри- косновения с водой и ионообменная способность. Для обработки используют катионнообменные смолы – эспатит-4, СБС и анио- нообменные – ЭДЭ-1О; в) умягчение путем кипячения основано на переходе двуугле- кислых растворимых солей кальция в нерастворимые углекислые и солей магния – в гидрат окиси магния: Са(НСО 3 ) 2 = СаСО 3 + CO 2 + Н 2 О, Mg(НСО 3 ) 2 = MgСО 3 + CO 2 + Н 2 О, MgСО 3 + Н 2 О = Mg (ОН) 2 + CO 2 Этим путем под опреснением понимается снижение содер- жания солей в воде до степени, отвечающей качеству питьевой воды, т. е. 1000 мг/л. Обессоливание – полноеили почти полное удаление из воды растворенных в ней солей. Наиболее распространенными способами опреснения явля- ются дистилляция, ионный обмен, электродиализ и гиперфиль- трация. Метод дистилляции основан на выпаривании воды с по- следующей конденсацией. Недостатками метода являются пло- хие органолептические свойства воды вследствие поступления в нее продуктов термического разложения органических веществ и низкая минерализация. Ионообменный метод – воду пропускают через катионито- вые и анионитовые фильтры, в результате происходит обмен ио- нов, и удаляются растворенные соли. Метод электродиализа основан на том, что при пропуска- нии постоянного тока через слой воды, анионы солей, раство- ренные в воде, движутся к аноду, а катионы – к катоду. Водапо- мещается в трехкамерный сосуд или резервуар, средняя камера отделена от соседних пористыми перегородками (диафрагмы), а в крайние камеры опущены электроды. При пропуске электротока ионы соли (например, NaCl) из средней камеры, где находится обессоливаемая вода, переходят в крайние (анионы С1 – в камеру с анодом, а катионы Na+ – в камеру с катодом). Метод позволяет управлять процессом и остановить его при достижении заданно- го результата. Гиперфильтрацией называют процесс фильтрования воды через полупроницаемые мембраны, задерживающие гидратиро- ванные ионы солей и молекулы органических соединений. Мож- но избавиться только от устранимой (бикарбонатной) жесткости. Обезжелезивание воды Повышенное содержание железа в воде не угрожает вред- ными последствиями для здоровья, но железо придает воде спе- цифический (чернильный, металлический) привкус, делает ее мутной и цветной, оставляет ржавые пятна на белье. Кроме того, выпадение железа в осадок уменьшает, а размножение железо- бактерий может и полностью закрыть просвет в трубах неболь- шого диаметра. Обезжелезивание подземных вод проводится безреагентны- ми аэрационными методами. В основе методов лежит предвари- тельная аэрация воды с целью удаления свободной углекислоты и сероводорода, повышения рН, обогащения кислородом возду- ха, последующего образования гидроксида железа и удаления его из воды осаждением или фильтрованием. В подземной воде железо большей частью содержится в виде двууглекислых солей Fe(НСО 3 ) 2 . Это – нестойкое соединение, легко гидролизуется: Fe(HCO 3 ) 2 +2Н 2 О→Fe(OH) 2 +2Н 2 СО, Н 2 СО 3 → Н 2 О + СО 2 Гидрат закиси железа Fe(OH) 2 остается в растворе, а при со- прикосновении с воздухом на поверхности обогащается кисло- родом, окисляется и переходит в нерастворимый гидрат окиси – Fe(ОН) 3 , выпадающий в осадок: 4 Fe(OH) 2 + 2 Н 2 О + О 2 →4 Fe(OH) 3 Искусственная аэрация усиливает этот процесс, и реакция идет тем успешнее, чем выше рН воды. Аэрация производится в брызгальном бассейне на градирне или компрессором; после 110 111 образования хлопьев гидрата окиси железа воду освобождают от них в отстойниках и на скорых фильтрах. Обезжелезивание по- верхностных вод проводится реагентными методами. В качестве реагентов выступают сульфат алюминия, известь и хлор. Обесфторивание и фторирование воды Содержание фтора в подземных водах не должно превышать 1,5 мг/л. Чтобы убрать излишки фтора производится обесфтори- вание воды. На практике с водой, богатой фтором, приходится встречать- ся только при водоснабжении из подземных источников. Для дефторирования используют реагентные (методы осаждения) и фильтрационные методы. Реагентные методы основаны на сорбции фтора свежеосажденными гидроокисями алюминия и или магния. Более практично и достаточно эффективно фильтрование через активированную окись алюминия (AI 2 O 3 ), обладающую по отношению к фтору сорбционной способностью. Высота филь- тра, загруженного сорбентом, 2 м, скорость фильтрации – 5 м/ч. Фторирование воды является эффективным средством сни- жения заболеваемости кариесом зубов. Для фторирования воды применя ют фторид натрия, кремнефтористую кислоту и ее натри- евую соль, добавляемые к воде дозирующими устройствами. К реагентам предъявляются следующие требования: высокое противокариозное действие при меньшей потенциальной токсич- ности, отсутствие ядовитых примесей (мышьяк, соли тяжелых металлов), хорошая растворимость в воде, безопасность для пер- сонала. Фторирование лучше проводить после фильтров, перед ре- зервуарами чистой воды. Необходим тщательный лабораторный контроль, чтобы не завысить содержание фтора выше нормы СаНПиН для данного кли матического района. Контроль за содер- жанием фтор-иона должен быть автоматизирован. Способы обеззараживания Способы обеззараживания питьевой воды условно подра- зделяют на безреагентные (физические), реагентные (химиче- ские), механические и комбинированные. К физическим способам относятся: использование ультра- фиолетового и ионизирующего излучения, ультразвуковых коле- баний, термической обработки. К механическим способамотносится использование различ- ных фильтров. Для термического обеззараживания питьевой воды использу- ют открытое пламя (в том числе и высокотемпературную плазму), горячий воздух, перегретый пар. Наиболее часто применяют ки- пячение воды. Кипячение в течение нескольких минут освобождает воду от вегетативных форм микроорганизмов, разрушает различные бак- териальные эндо- и экзотоксины, инактивирует вирусы. Споры инактивируются за более длительное время: для возбудителя си- бирской язвы оно составляет 10 мин, столбняка – около 1 часа, Cl. Botulinum – 1–5 ч. Кипячение воды как метод ее обеззараживания имеет ряд важных преимуществ: • простота контроля за эффективностью обработки, • доступность, надежность и быстрота обеззараживания, • независимость бактерицидного эффекта от физико-хими- ческих показателей обеззараживаемой воды, • отсутствие заметного влияния на физико-химические и ор- ганолептические свойства воды, • возможность автоматизации. К недостаткам способа относятся: • дороговизна в силу значительных затрат электроэнергии или топлива на кипячение больших объемов воды, • малая производительность, • кипяченая вода имеет высокую температуру и так называе- мый «вялый» вкус, получающийся вследствие удаления из воды растворенных в ней газов и уменьшения жесткости. Однако едва ли следует считать эти особенности кипяченой воды ее недостатками. В холодное время года, например, высокая температура, наоборот, является положительным свойством, да и в жаркое время многие жители восточных стран предпочитают пить горячий чай. Что касается «вяло- 112 113 го» вкуса, то остуженную кипяченую воду трудно отличить по вкусу от не кипяченой. Кипяченая вода легко подвергается вторичному микробному загрязнению, т. к. отсутствует эффект последействия и конкури- рующие сапрофиты, а температура воды долго остается благо- приятной для роста микроорганизмов. В силу экономических и технологических трудностей кипя- чение рассматривают как способ обеззараживания индивидуаль- ных (групповых) запасов питьевой воды в домашних условиях, на автономных объектах и транспорте, при сложной эпидемиче- ской обстановке. К химическим способам обеззараживания относятся: хло- рирование, озонирование, использование препаратов серебра, меди, йода и некоторых других реагентов. Химические методы обеззараживания воды основаны на применении различных со- единений, обладающих бактерицидным действием. Эти веще- ства должны отвечать определенным требованиям, а именно: не делать воду вредной для здоровья; не изменять ее органолепти- ческих свойств; оказывать надежное бактерицидное действие (в малых концентрациях и в течение короткого времени контак- та); быть удобными в применении и безопасными в обращении, стойкими при длительном хранении реагентов. Существующая практика обеззараживания питьевой воды показывает негативные стороны данного метода, проявляющиеся в токсическом действии как самих обеззараживающих реагентов, так и побочных продуктов реакции, дающих канцерогенный, му- тагенный и ряд других неблагоприятных эффектов. Хлорирование и озонирование воды получило широкое рас- пространение на очистных сооружениях водопроводов, в то вре- мя как остальные методы нашли применение при обеззаражива- нии небольших объемов воды на автономных объектах, в полевых и экстремальных условиях водоснабжения. Для хлорирования воды на водопроводах наиболее часто ис- пользуют газообразный хлор, однако применяют и другие хлор- содержащие реагенты. В порядке возрастания окислительно-вос- становительного потенциала они располагаются в следующем порядке: хлорамины (RNHC1 2 и RNH 2 C1), гипохлориты кальция и натрия [Са(ОС1) 2 ] и NaOCl хлорная известь (ЗсаОС1 • СаО • 5Н 2 О), газообразный хлор, двуокись хлора ClO 2 . В последние годы внедряется электрохимический способ обеззараживания природных вод. Бактерицидный эффект хлорирования объясняется, в основ- ном, воздействием хлора на различные структуры микроорганиз- ма: цитоплазматическую мембрану, белки цитоплазмы, ядерный аппарат клетки. Хлор уничтожает ферменты дыхательной цепи бактерий – дегидрогеназы, блокируя SH – группы. При диссоциации хлора образуется хлорноватистая кислота, которая и оказывает бактерицидное действие: С1 2 + Н 2 О – НОС1 + НС1. Бактерицидным свойством обладает также гипохлорит-ион и хлор-ион, которые образуются при диссоциации хлорновати- стой кислоты: НОС1->ОС1- + Н +ОС1 НС1 - + О. Степень диссоциации НОС1 возрастает при повышении ак- тивной реакции воды, таким образом, с повышением рН бактери- цидный эффект хлорирования воды снижается. Действующим на- чалом при хлорировании хлорамином и гипохлоритами является гипохлорит-ион, а двуокисью хлора НСlO 2 – хлористая кислота, которая имеет наиболее высокий окислительно-восстановитель- ный потенциал, в силу чего при использовании двуокиси хлора достигается наиболее полное и глубокое окисление и обеззара- живание. При введении хлорсодержащего реагента в воду основное его количество – более 95 % расходуется на окисление органиче- ских и легкоокисляющихся неорганических веществ (соли двух- валентного железа и марганца), содержащихся в воде, на соеди- нение с протоплазмой бактериальных клеток расходуется всего 2–3 % общего количества хлора. Количество хлора, которое при хлорировании 1 л воды расхо- дуется на окисление органических, легкоокисляющихся неорга- нических веществ и обеззараживание бактерий в течение 30 ми- нут, называется хлорпоглощаемостьюводы. Хлорпоглощаемость 114 115 воды определяется экспериментально путем проведения пробно- го хлорирования. По окончании процесса связывания хлора содержащимися в воде веществами и бактериями в воде начинает появляться оста- точный активный хлор. Его появление, определяемое титроме- трически, является свидетельством завершения процесса хлори- рования. Остаточный хлор – это активный, избыточный хлор, не прореагировавший за установленное время. Величина остаточно- го хлора должна составлять 0,3–0,5 мг/л, что является гарантией эффективности обеззараживания. Кроме того, наличие активного остаточного хлора необходимо для предотвращения вторичного загрязнения воды в разводящей сети. Таким образом, наличие остаточного хлора является косвен- ным показателем безопасности воды в эпидемическом отношении. Общее количество хлора, необходимое для обезвреживания воды и обеспечения наличия необходимого количества свободно- го активного хлора (0,3–0,5 мг/л) называется хлорпотребностью. При нормальном хлорировании количество связанного активно- го хлора при хлорировании с аммонизацией остаточного хлора должно быть в пределах 0,8–1,2 мг/л. Хлорирование характеризуется широким спектром антими- кробного действия в отношении вегетативных форм микроор- ганизмов, экономичностью, простотой технологического офор- мления, наличием способа оперативного контроля за процессом обеззараживания. Хлорирование имеет и ряд существенных недостатков: хлор и его препараты являются токсичными соединениями, поэтому работа с ними требует строго соблюдения техники безопасности. Хлор воздействует в основном на вегетативные формы микроор- ганизмов, при этом грамположительные формы бактерий более устойчивы к его действию, чем грамотрицательные. Имеются данные о реактивции микроорганизмов в хлорированной пить- евой воде, появлении хлорустойчивых штаммов. Для получения гарантированного бактерицидного эффекта прибегают к хлори- рованию заведомо избыточными дозами хлора, что ухудшает ор- ганолептические показатели и приводит к денатурации воды. Эффективность обеззараживающего действия хлора и его препаратов зависит от биологической характеристики микроор- ганизма (вид, штамм, плотность заражения). Спороцидный эф- фект возникает при относительно высоких концентрациях актив- ного хлора в питьевой воде (200–300 мг/л и экспозиции от 1,5 до 24 часов). Вирулицидное действие хлорсодержащих препаратов – гибель вирусов наблюдается при концентрации активного хлора от 0,5 до 100 мг/л. Высокорезистентными к действию хлора явля- ются также цисты простейших и яйца гельминтов. Кроме того, эффективность обеззараживания зависит от хи- мического состава воды и экспозиции. Различные химические вещества антропогенного происхождения могут существенно влиять на эффективность процесса обеззараживания. Например, поверхностно-активные вещества препятствуют реализации бак- терицидного эффекта хлора и даже проявляют стимулирующее действие, вызывая размножение микрофлоры. В последние годы в литературе появились сообщения о воз- можности образования в воде галогенсодержащих соединений (ГСС) после хлорирования. Источником наибольшего количества ГСС в воде являются гуминовые кислоты, фульвокислоты, хино- ины, производные фенола, анилина, а также продукты метабо- лизма водорослей. На процесс образования ГСС в водной среде оказывает влияние реакционная способность и концентрация ор- ганических соединений, форма и доза хлора. ГСС обладает выра- женным общетоксическими свойствами, а также дают отдален- ные эффекты – эмбриотоксический, мутагенный, канцерогенный. |