Основні технологічні процеси очистки води

Необхідність обробки води виникає тоді, коли якість води природних джерел не задовольняє необхідні вимоги. Така невідповідність може бути тимчасовою (сезонним) або постійною. Характер і ступінь невідповідності якості води джерела вимогам користувача визначає вибір методів обробки води. Якщо при цьому можуть бути використані різні методи очищення, то вибір їх проводиться на основі техніко-економічних розрахунків.

Розрізняють поняття: ширше - водоочистка і вужче - водопідготовка.

Водоочистка - це комплекс технологічних процесів, спрямованих на доведення якості води, що поступає у водопровід з джерела водопостачання, до встановлених показників.

Водопідготовка - це обробка води, що поступає з природного джерела постачання для живлення парових котлів і інших технологічних цілей. Водопідготовка проводиться на ТЕС, на транспорті, в комунальному господарстві, на промислових підприємствах.

Освітлення, усунення кольоровості, присмаків і запахів. Освітлення і часткове усунення колірності води без використання реагентів відбувається при тривалому її відстоюванні, яке може здійснюватися у відкритих, спеціально споруджених басейнах-відстійниках чи водосховищах. Термін освітлення води (і то неповного) має становити не менше 12 діб, для часткового усунення колірності -12 і більше місяців. Зрозуміло, що такий метод використовується рідко. Відстоювання води забезпечує видалення з неї основної маси завислих частинок. Найбільш простий процес відстоювання здійснюється в нерухомому середовищі. При відстоюванні завислих речовин можливе як вільне, так і взаємне осадження (коли одні частинки захоплюють інші, сприяючи процесу осадження). Експериментально встановлено, що швидкість осадження частинок в природних водах пропорційна величині

(t + 23)/23,

де t - температура води, º С.

До безреагентних методів належить також повільне фільтрування. Характерна особливість - дуже малі швидкості фільтрування (0, 1 - 0, 2 м/год) і використання фільтруюючого матеріалу (звичайно кварцевого річкового піску) з дрібними фракціями (0, 25-0, 35мм), який затримує зважені речовини.

Реагентними є методи обробки води засновані на використанні спеціальних хімічних речовин (коагулянтів) і називаються коагуляцією. В результаті цього процесу у воді утворюються пластівці, що включають зважені і колоїдні частинки, які додають воді каламутність і кольоровість. Потім ці пластівці осідають і забезпечують освітлення і усунення кольоровості.

Коагулянти представляють собою солі слабких основ і сильних кислот - сульфат алюмініюAl₂(SO₄)₃•18Н₂О, сульфат залізо (П) и (Ш) FеSО₄•7Н₂O і Fе₂(SО₄)₃•7Н₂O, хлорне залізо FеСl₃•6Н₂О і ін.

Процес коагуляції домішок води, складається з трьох стадій:

Ø гідролізу коагулянтів і утворення розбавлених золів гідроксидів;

Ø взаємодії золів гідроксидів з колоїдами і зваженими речовинами води і наступної коагуляції золів;

Ø процесу утворення пластівців і видалення з води агрегатів, що утворилися.

Al³⁺ + H₂O = Al(OH)²⁺ + H⁺

Al(OH)²⁺ + H₂O = Al(OH)₂²⁺ + H⁺

Al(OH)₂²⁺ + H2O = Al(OH)₃ + H⁺

Al³⁺ + 3H₂O = Al(OH)₃ + 3H⁺

Повнота протікання гідролізу впливає на весь наступний хід процесу коагуляції, тим паче, що згідно санітарно-гігієнічних вимог вміст навіть невеликих кількостей солей коагулянтів (особливо алюмінієвих) є неприпустимим в очищеній воді.

Укрупнення колоїдних частинок, які утворюються в результаті гідролізу коагулянтів, відбувається поступово. Спочатку в результаті броунівського руху утворюються агрегати з масою, недостатньою для випадання їх з розчину. Це так звана стадія прихованої коагуляції. Якщо укрупнення досягає стадії, коли утворюються пластівці, видимі неозброєним оком і осідаючі під дією сили тяжіння, наступає стадія седіментації (осадження). Появі видимих пластівців передує стадія утворення об'ємної структури, що включає велику кількість води

У сучасній технології освітлення і усунення кольоровості води все частіше використовуються речовини, які інтенсифікують і покращують процес коагуляції – флокулянти. Їх дія полягає в тому, що вони сприяють утворенню великих, швидко осідаючих у відстійниках, міцніших і щільніших пластівців. До флокулянтів відносяться речовини мінерального (активна кремнієва кислота) і органічного (природного і синтетичного) походження. Серед них найбільш відомий поліакриламід.

Видалення пластівців, які коагулюють, досягаючи шляхом відстоювання і фільтрування. Після осадження основної маси завислих часток вода звичайно фільтрується - пропускається через шар зернистого матеріалу, частіше за все - піску. На відміну від повільного фільтрування швидкість процесу становить 5-10 м/год, і фільтруючий матеріал містить більш великі фракції (0, 5-1, 00 мм). Цей процес називається швидким фільтруванням.

Завершальним етапом звільнення води від завислих речовин є фільтрування - пропускання води через шар фільтруючого матеріалу. Фільтруванням з води вилучаються завислі частки, які не були затримані на першому етапі очистки. Фільтруючий шар періодично очищається від накопичених у ньому забруднюючих речовин. Суть фільтрування полягає в розподілі завислих часток у порах фільтруючого матеріалу, закріпленні їх на його поверхні (адгезія). Для фільтрування можуть використовуватись інертні речовини (кварцовий пісок річковий чи кар’єрний, подрібнений антрацит, доменний шлак, керамзит, аглопорит), які служать лише для затримання завислих часток, чи активні наповнювачі (діатоміт, трепел, активоване вугілля, магма), які одночасно з освітленням забезпечують поліпшення деяких показників якості води.

Методи усунення присмаків і запахів залежать від характеру речовин, які викликали їх появу, і стани; у якому вони знаходяться (іонні і молекулярні розчини, колоїди і зважені речовини).

Присмаки і запахи речовин

Ø що знаходяться в зваженому або колоїдному стані, усуваються з води коагуляцією

Ø обумовлені підвищеним вмістом неорганічних речовин, які знаходяться в іонному або молекулярному стані - методами корекції мінерального складу води (знесолювання, дегазація і тому подібне)

Ø біологічного походження, а також обумовлені наявністю органічних сполук з промислових стічних вод, - усуваються, в основному, за допомогою окислювачів, адсорбентів, а також аерацією.

Одним з перших і впродовж десятиліть єдиним методом усунення з природних вод присмаків і запахів був процес аерації води, який заснований на летючості речовин, які їх викликають. У ряді випадків при усуненні запахів і присмаків біологічного походження аерація забезпечує достатньо повну дезодорацію води. Але цим способом не усуваються стійкі присмаки, які викликані розкладанням водної рослинності, а також забрудненням промисловими стічними водами. Тому цей спосіб, як правило, використовується в комбінації з іншими. Аерація відбувається в спеціальних установках - аераторах (розбризкуючого, каскадного або барботажного типа).

Метод окиснення передбачає використання сильних окисників: хлор, діоксид хлору, озон, перманганат калію тощо.

Однією з найбільш поширених промислових веществ, яка забруднює природні води, є феноли, їх присутність у воді в кількості, що перевищує 0, 001 мг/л, призводить при хлоруванні води з метою знезараження до появи хлорфенольних запахів. Тому для боротьби з хлорфенольними запахами використовують хлорування з амонізацією. Воно не усуває ці запахи, а попереджає їх виникнення, оскільки хлор енергійніше реагує з аміаком, ніж з фенолами, утворюючи хлораміни.

Обробка активованим вугіллям - один з найбільш поширених способів дезодорації води. Пояснюється це високою ефективністю вугілля, його універсальністю, а також можливістю успішного використання у будь-якій технологічній схемі обробки води.

Активоване вугілля відрізняється розвинутою пористістю і тому має величезну внутрішню поверхню. На такій поверхні виникають сили міжмолекулярної взаємодії, завдяки яким молекули газів, пари чи розчинених речовин утримуються активованим вугіллям. У результаті концентрація цих молекул в газах чи розчинах зменшується.

З активованого вугілля, яке виробляється в Україні, для дезодорації найбільш часто використовують торфове вугілля ТАВ, березове вугілля БАВ, кістяне вугілля КАВ, сухе вугілля СВ, лужний активований антрацит А. На водоочисних спорудах вугілля застосовують у вигляді вугільного порошку чи гранул, якими заповнюють фільтри. Вугільні фільтри розмішують звичайно після освітлювальних, щоб запобігти зниженню адсорбційної ємності вугілля за рахунок поглинання веществ, що надають воді колірності.

Результати роботи фільтрів свідчать, що вугілля повністю усуває присмаки і запахи води і значно зменшує колірність і окиснюваність. Експлуатація та обслуговування фільтрів просте і надійне..Недоліком вугільних фільтрів є велика витрата води на промивання, швидке зниження адсорбційних властивостей вугілля, корозія корпуса фільтра.

Знезараження води хлором, озоном, сріблом та йодом. Хлорування води - один із поширених методів знезараження води на водопроводах. Ця процедура виконується у всіх випадках забору води з поверхневих водойм, а також при отриманні води з підземних джерел, бактеріальні показники яких не відповідають вимогам стандарту.

Хлорування води відбувається газоподібним хлором або ж веществами, що містять активний хлор: хлорне вапно, хлорит, діоксид хлору. Під “активним хлором” розуміють кількість газоподібного хлору, що відповідає кількості О₂, який виділяється сполуками при уведенні їх у воду. Для знезараження води, як правило. слід використовувати рідкий хлор. На станціях невеликої продуктивності (до 3000 м³ /добу) знезараження води допускається хлорним вапном.

Суть дії хлору полягає в пригніченні обміну і окисненні веществ, які входять до складу протоплазми клітин бактерій, у результаті чого останні гинуть. Збудники тифу, дизентерії, холери й бруцельозу є дуже чутливими до дії хлору. Навіть сильно заражена бактеріями вода значною мірою дезінфікується порівняно невеликими дозами хлору. Але все одно - при хлоруванні повної стерилізації води не відбувається. У ній залишаються одиничні представники мікроорганізмів, і залежить це від різної стійкості до хлору окремих видів мікроорганізмів та вірусів.

Бактерицидний ефект хлору значною мірою залежить від його початкової дози і тривалості контакту з водою. Частіше за все на руйнування клітин втрачається лише незначна частина хлору. Більша частина хлору йде на реакції з різноманітними органічними і мінеральними домішками, які містяться у воді. Ці реакції протікають з різною швидкістю залежно від концентрації хлору, рН, температури водії тощо.

Кількість хлору, який поглинуто в результаті його взаємодії з речовинами, що містяться у воді, називається хлоропоглинанням води, яке визначається кількістю хлору у мг/л, який витрачається при 30-хвилинному контакті його з досліджуваною водою на окиснення і хлорування деяких органічних веществ. До таких речовин відносяться гумус, продукти розкладення клітковини й білкових сполук, солі двовалентного заліза, нітрити, аміак і солі амонію, сірководень.

Звичайно хлоропоглинання річкових та озерних вод становить 2-2, 5 мг/л Сl₂, у ставкових і болотних водах воно підвищується до 5 мг/ л СІ₂. Різке підвищення кількості поглинутого хлору може свідчити про забруднення води органічними веществами.

На практиці при визначенні необхідної дози хлору виходять із загальної потреби хлору для води. Це включає її хлоропоглинання і деякий надлишок хлору, який забезпечує протягом певного часу бактерицидний ефект. Надлишок хлору необхідний для запобігання повторного бактеріального забруднення води під час проходження по водопровідній мережі. Вміст залишкового активного хлору у водопровідній воді лімітується стандартом і повинен досягати на найближчій до насосної станції точці 0, 3-0, 5 мг/л. Оптимальну дозу хлору, яка є необхідною для отримання заданої величини залишкового хлору, встановлюють шляхом проведення пробного хлорування, в результаті чого будують криву хлоропоглинання води за 30 хв.

Наявність завислих у воді домішок як органічного походження, так і мінерального, значно знижує бактерицидний ефект хлорування, їх поверхня, яка сорбує на собі хлор, вилучає його з води. Крім того, бактерії, які знаходяться всередині згустків завислих веществ, меншою мірою піддаються впливу хлору. Знезараження насичених домішками вод вимагає збільшення доз хлору протягом довгого проміжку часу. Тому гігієнічні та смакові якості води бувають знижені.

Добрі результати при знезараженні води, бактеріальне забруднення якої перевищує межу, дає хлорування підвищеними дозами з наступним дехлоруванням води. Збільшення бактерицидного ефекту невеликих доз хлору може бути досягнуто використанням комбінованих методів хлорування (додавання до хлорованої води перманганату калію і солей важких металів).

Хлор, як уже зазначалося, окислює і руйнує органічні домішки води, в результаті чого знижується колірність води, зникають запахи, а також інші показники, які пов’язані з наявністю у воді органічних веществ. Руйнування при хлоруванні гумінових веществ сприяє поліпшенню процесів самоочистки. Але відомі випадки, коли хлорування призводить до утворення продуктів, які мають сильний запах. Особливо стійкими і неприємними е хлорфенольні запахи і присмаки. Вони виникають при хлоруванні води, забрудненої стічними водами, які містять феноли та інші ароматичні веществи.

Звичайно хлорування сприяє очистці води від заліза, марганцю і деяких отруйних веществ. При хлоруванні води великими дозами відбувається перехід частини карбонатної жорсткості в некарбонатну

Са(НСО₃)₂ + 2НСl = СаСІ₂ + 2H₂O + 2СО₂. (5.1)

Таким чином, хлорування води, поряд із знезараженням відіграє велику роль також як фактор, що сприяє поліпшенню процесів коагулювання, відстоювання і фільтрування.

Реагенти для хлорування води. Хлор є газом жовто-зеленого кольору з різким неприємним запахом Отримують його шляхом електролізу розчину кухонної солі. Сухий хлор за низьких температур вступає у взаємодію з дуже невеликою кількістю речовин, але за наявності слідів вологи його активність різко зростає. Він безпосередньо з’єднується з усіма металами і, окрім кисню, благородних газів, азоту і фтору, з усіма неметалами.

Газоподібний хлор добре розчинний у воді, розчинність його підвищується із зниженням температури і збільшенням тиску. Але за низьких температур утворюються гідрати хлору загального складу СІ₂•nН₂О, які випадають в осад, і, таким чином, визначають граничну концентрацію хлору у воді. За насичення води хлором утворюється хлорна вода, яка має сильні окислювальні властивості.

Взаємодія хлору з водою (гідроліз хлору) при хлоруванні відбувається за рівнянням

СІ₂ + Н₂О ↔ НСІ + НСlO (5.2)

За рН 5 активний хлор майже повністю знаходиться в розчині в молекулярній формі. В інтервалі рН 5-9, 2 присутня хлорнуватиста кислота з деякими домішками гіпохлоритів. За рН 9, 2 активний хлор знаходиться в розчині тільки у вигляді іонів СІО^-. Гідроліз хлору залежить також від тиску, температури, інтенсивності перемішування та інших факторів. Процес гідролізу хлору протікає приблизно за 2 хв.

Хлорнуватиста кислота (НСlO) – сильний окислювач, існує тільки в розчині. В сильно розведених розчинах вона не має кольору. Концентровані розчини мають жовтий колір і різкий запах. У нейтральному чи лужному середовищі на світлі відбувається фотохімічне розкладання хлорнуватистої кислоти з виділенням кисню

НСЮ ↔ НСІ + О (5.3)

Хлорнуватиста кислота - сильний окисник, який робить безколірними лакмус та індиго. Солі хлорнуватистої кислоти - гіпохлорати - одержують при взаємодії хлору з холодним розчином лугу

Cl₂ + 2NaOH ↔ NaClO + NaCl + H₂O (5.4)

Відбувається ця реакція або при пропусканні газоподібного хлору через розчин лугу, або ж при електролізі розчинів хлоридів лужних металів в умовах, які забезпечують перемішування продуктів електролізу.

При взаємодії хлору з гашеним вапном отримують хлорне вапно. Окислювальні властивості хлорного вапна цілком залежать віл наявного в ньому аніона хлорнуватистої кислоти. Існуючі способи технічного виробництва хлорного вапна в заводських умовах забезпечують одержання її із вмістом активного хлору в межах 32-36 %.

Реакція розкладання у хлорного вапна водою протікає за рівнянням

2СаОСІ₂ + 2Н₂О = СаС1₂ + Са(ОН)₂ + 2НСІО (5.5)

Серед хлоритів особливе місце посідає NаОСІ₂, як вихідний продукт для отримання діоксиду хлору. Хлорит натрію є сильним окисником.

За рН 2 розкладання хлориту натрію у воді протікає з утворенням СІО₂ і НСІ.

Діоксид хлору (СІО₂) являє собою зеленувато-жовтий отруйний газ із запахом, значно більш інтенсивним, ніж запах хлору. Діоксид хлору легко розчиняється у воді, не гідролізуючись. СІО₂ має порівняно з хлором ту перевагу, що при обробці води, яка містить феноли, не виникає хлорфенольних запахів, оскільки фенол практично окислюється СІО₂ до хінону та малеїнової кислоти, які в малих дозах не надають воді запаху і присмаку. Тому використання діоксиду хлору може бути рекомендовано для підвищення ефективності знезараження і попередженім виникнення специфічних запахів у воді.

Методи хлорування води. Хлорування води є заходом, який постійно здійснюється на комунальних водопроводах та станціях з очистки господарсько-побутових і деяких категорій промислових стічних вод. Крім того, хлорування проводиться як короткочасний чи періодичний захід, необхідний для дезинфекції ділянок водопроводу, що вводяться в експлуатацію, фільтрів, резервуарів чистої води.

При виборі методу хлорування необхідно враховувати цільове призначення цього процесу, наявність забруднюючих веществ у воді, її характер, специфіку водоочисних споруд. Виходячи з різних цілей хлорування, існуючі методи обробки води хлором та солями, які містять активний хлор, можна об’єднати у дві групи:

- постхлорування (завершальне);

- прехлорування (попереднє) води.

Постхлорування – це процес знезараження води, який проводиться після всіх інших способів її обробки і є завершальним етапом очистки води. Постхлорування може здійснюватися як невеликими дозами (нормальне хлорування), так і підвищеними (перехлорування). Використовується воно і спільно з іншими речовинами для знешкодження мікроорганізмів (комбіноване хлорування).

Нормальне хлорування застосовується для знезараження води, яка відбирається в надійних у санітарному відношенні джерелах і має добрі фізико-хімічні показники. Дози хлору мають забезпечувати необхідний бактерицидний ефект без погіршення органолептичних показників якості води. Кількість залишкового хлору після 30-хвилинного контакту води з хлором допускається не вище 0, 5 мг/л, оскільки за вищих концентрацій вода набуває специфічного запаху і присмаку.

Перехлорування використовується часто в тих випадках, коли спостерігаються різкі коливання бактеріального забруднення води та коли нормальне хлорування не дає потрібного бактерицидного ефекту. Перехлорування усуває багато неприємних присмаків, запахів і в деяких випадках може використовуватися для очистки води від токсичних речовин.

Доза залишкового хлору при перехлоруванні звичайно встановлюється в межах 3-10 мг/л. Відомі випадки, коли перехлорування проводилося дуже високими дозами - до 100 мг/л (суперхлорування). За великих доз хлору досягається швидкий ефект.

Залишок хлору, який перевищує допустиму у воді концентрацію, усувається дехлоруванням. За невеликого надлишку хлор може бути усунуто аеруванням, а за високих концентрацій залишкового хлору застосовуються хімічні методи. З них найбільш поширеними є: обробка води сірчанистим ангідридом та активованим вугіллям.

Комбіновані методи хлорування, тобто обробка води хлором разом зіншими бактерицидними препаратами (тіосульфатом, сульфітом натрію, бісульфітом натрію), можуть використовуватися для підсилення дії хлору чи фіксації його у воді на більш довгий строк. До комбінованих методів відносяться: хлорування з мангануванням (додається КМпО₄), хлорсрібний та хлормідний способи (у воду вводяться одночасно хлор та іони Ag і Сu), а також хлорування з амонізацією (вводиться аміак чи солі амонію). Комбіновані методи використовуються не лише для обробки великих об’ємів води на стаціонарних водопроводах, але і як індивідуальні засоби знезараження води.

Прехлорування води використовується як засіб, який поліпшує деякі процеси очистки води (наприклад, коагулювання і усунення заліза), а також як ефективний засіб знезараження деяких токсичних речовин. Прехлорування, як правило, здійснюється великими дозами хлору, але на відміну від перехлорування воно не вимагає наступного дехлорування води, оскільки надлишок хлору звичайно повністю усувається при подальших процесах її обробки. Надлишковий хлор витрачається на окиснення різноманітних домішок води, сорбується пластівцями коагулянту, окислює організми, які розвиваються на поверхні і в товщі заповнювачів фільтрів.

Практичне використання процесу хлорування води в основному зводиться до пре- та постхлорування. Застосовується також подвійне хлорування (пре- та постхлорування). У такому випадку до кожного з цих процесів висуваються різні вимоги:

- попереднє хлорування проводять для того, щоб підготувати воду до наступних етапів очистки;

- від завершального хлорування вимагається забезпечення необхідної концентрації залишкового хлору у воді, яка гарантує санітарну якість води (хлор вводиться після фільтрів);

- подвійне хлорування використовується за високої колірності вихідної води та за підвищеного вмісту в ній органічних речовин.

Озонування води. Одним з ефективних методів знезараження води є її обробка озоном. Озон, як відомо, є алотропічною модифікацією кисню, і молекула його на відміну від молекули кисню (О₂) складається не з двох, а з трьох атомів (О₃).

Уперше озон було виявлено в 1785 р. нідерландським фізиком М.ван Марумом за характерним запахом (свіжості) і окисними властивостями, які набуває повітря після пропускання через нього електричних іскор. Характерний запах озону вже відчувається за його вмістом в повітрі навіть у співвідношенні 1: 500 000. Озон є вибуховим газом синюватого кольору з різким характерним запахом. Маса 1 л озону становить 2, 1445 г; густина газоподібного озону за киснем 1, 5, за повітрям 1, 62; нижче температури кипіння, яка становить 112°С, озон стає темно-синьою рідиною з густиною 1, 71 г/см³. Розчинність озону за температури 0°С у воді становить 0.394 г/л, тобто у 15 разів більша, ніж у кисню (0, 049 г/л).

Озон утворюється за зворотною реакцією

ЗО₂ + 68 ккал (285 кДж) ↔ 2О₃ (5.6)

Молекула О₃ є нестійкою і самочинно перетворюється на О₂ з виділенням тепла. За невеликих концентрацій без сторонніх домішок озон розкладається повільно, за великих - з вибухом. Нагрівання і контакт озону з найменшими кількостями органічних речовин, деяких металів чи їх оксидів різко прискорює його перетворення. І навпаки, присутність значної кількості НNО₃ стабілізує озон, а у ємностях із скла, деяких пластмас або чистих металів озон за температури 78°С практично не розкладається. Озон є одним з найбільш сильних окисників, набагато сильнішим, ніж кисень. Він окислює всі метали, за виключенням золота і платинових, а також більшість інших елементів. Присутність озону у газовій суміші можна встановити за реакцією

О₃ + 2КІ + Н₂О = І₂ + О₂ + 2КОН (5.7)

" Звичайний" кисень О₂ в реакцію з КІ не вступає.

Озон в атмосфері зумовлює характер поглинання сонячної радіації земною атмосферою, хоча і міститься він у надзвичайно малих кількостях. Так, товщина шару озону за нормальних умов тиску і температури в середньому для всієї Землі становить 2, 5-3 мм (в екваторіальних областях близько 2 мм, а у високих широтах до 4 мм). Основна маса озону розташована у вигляді шару, який називається озоносферою, на висоті 10-50 км (максимум на висоті 20-25 км). Озон найбільш сильно поглинає радіацію на ділянці спектру з довжиною хвилі 2900 Å, тому ця досить активна у біологічному відношенні частина сонячної радіації не досягає земної поверхні. У результаті поглинання радіації температура у шарі озону сильно підвищується.

У промисловості озон отримують з повітря в озонаторах, пропускаючи тихий електричний розряд за низьких температур. Зріджується О₃ краще, ніж О₂, і тому їх легко розділити.

Озонування води ґрунтується на властивості озону розкладатись у воді з утворенням атомарного кисню (О₃ → О₂ + О), який руйнує ферментні системи мікробних клітин, окислює деякі сполуки, що надають воді неприємного запаху (наприклад, гумінові основи).

Кількість озону, яка є необхідною для знезараження води, залежить від ступеня забруднення води і становить 1-6 мг/л за контакту близько 8-10 хв. Кількість залишкового озону не повинна перевищувати 0, 3-0, 5 мг/л, оскільки більш висока доза надає воді специфічного запаху і викликає значну корозію водопровідних труб.

З позиції гігієни озонування є одним з найкращих способів знезараження води. Вода при цьому не збагачується додатковими домішками. Залишковий невикористаний озон через короткий проміжок часу розпадається і перетворюється на кисень. Нагадаємо, що перші досліди з озонування дніпровської води у Києві було проведено 1908 р., а промислову озонаторну установку на дніпровському водозаборі було встановлено 1974р.

Треба зазначити, що озонування води є відповідальним технологічним процесом, який вимагає великих витрат електроенергії, застосування складних приладів і висококваліфікованого технагляду, оскільки концентрований озон - отруйний газ. Це до певної міри є стримуючим фактором для його широкого застосування. За літературними даними у світі діє понад 3 тис. озонаторних установок різної потужності.

Озонування використовують також і для очистки повітря в приміщеннях для переробки і зберігання продуктів, які швидко псуються, інколи в місцях скупчення людей. Але в повітрі допустимі лише мікроконцентрації озону, оскільки він є надзвичайно отруйним, навіть більше, ніж чадний газ СО (гранична концентрація озону у повітрі 10^-5 %).

Знезараження води іонами срібла. Срібло навіть у малих концентраціях має властивість знищувати мікроорганізми, що пояснюється властивістю його іонів руйнувати протоплазму мікроорганізмів. За теорією Г.Вороца та Е.Тоферна, механізм бактерицидної дії срібла пояснюється порушенням обміну веществ у клітинах бактерій внаслідок блокування активних груп (-СООН та -SN) окремих ферментів.

Ступінь активності срібла тим більший, чим вища концентрація його іонів у розчині. Домішки, які містяться у воді, негативно впливають тільки в тому разі, якщо вони зв’язують іони срібла в малодисоційовані чи важко розчинні сполуки, які випадають в осад або ж відновлюють їх до металу.

Збагачення води іонами срібла досягається кількома способами: методом контактування води з розвинутою поверхнею металу (посріблені кільця Рашига. пісок Краузе тощо), методом безпосереднього розчинення у воді препаратів срібла електролітичними способами (метод Л.А.Кульського).

Найбільшу практичну цінність становить електролітичний метод, який ґрунтується на анодному розчиненні срібла. Цей метод забезпечує можливість швидкого отримання бажаних концентрацій срібла в розчині, дозволяє вести за допомогою електровимірювальних приладів точне дозування і регулювання процесу.

“Срібна вода”, яка готується електролітичним розчиненням, має високі бактерицидні властивості і з успіхом може бути використана для очистки води від шкідливих мікроорганізмів, дезинфекції та консервування продуктів харчування, для лікувальних цілей тощо. Завдяки мізерним дозам срібла вона є зовсім не шкідливою.

Досліди показали, що за ефективністю дії срібної води на різні види бактерій останні розміщуються в такій послідовності:

бактерії колі → бактерії Флекснера (дизентерія) → бактерії Еберга (черевний тиф) → стрептококи → стафілококи.

Інтерес до знезараження води електролітичними розчинами срібла в світі є значним. Багато зарубіжних фірм випускають іонатори різної продуктивності для знезараження води на водопроводах, у тих місцях, де використання хлору є не бажаним, а існує необхідність тривалого зберігання питної води (наприклад, на суднах).

Стаціонарну і переносну вітчизняну апаратуру різної продуктивності для отримання електролітичної срібної води було розроблено в Інституті колоїдної хімії та хімії води НАН України. Прилади, які виробляють срібну воду - іонатори системи Л.А.Кульського, випускаються з 1937 р. Вони постійно удосконалюються.

Йодування води. З галогенів, окрім хлору, для знезараження води використовуються також йод і бром. Але в практиці водопостачання знайшло застосування лише йодуванни води.

У нашій країні йодування у виробничих масштабах було здійснено під керівництвом Л.Б.Добровольського, на водному транспорті - В.К.Яковлева. Було показано, що йодування має ряд суттєвих переваг порівняно з хлоруванням:

1) менша тривалість контакту з водою;

2) більший бактерицидний ефект;

3) розширення діапазону бактерицидної дії;

4) йод не є елементом, чужим для людського організму;

5) концентрація йоду в обробленій воді нерідко не перевищує фонових значень вихідної води.

Безреагентні методи знезараження води Знезараження води ультрафіолетовим промінням. Негативну дію світла на розвиток більшості бактерій було помічено давно. Але механізм дії світла довгий час залишався невідомим. За більш детального вивчення цього явища було встановлено, що бактерицидною дією характеризується в основному короткохвильова частина спектра. У кінці XIX ст. російський вчений О. М. Маклаков встановив бактерицидну дію ультрафіолетового проміння з довжиною хвиль від 2000 до 2950 Å (1 ангстрем дорівнює 10^-8 см), причому максимально ефективним є проміння з довжиною хвиль близько 2600 Å. У наш час достатньо правильним поясненням бактерицидних властивостей ультрафіолетового випромінювання є те, що воно впливає на білкові молекули і ферменти цитоплазми клітин, а це викликає їх загибель.

Знезараженню ультрафіолетовим випромінюванням краще за все піддається очищена прозора вода, колірність якої не перевищує 20°, оскільки завислі та колоїдні частинки розсіюють світло і заважають проникненню ультрафіолетового проміння.

Джерелами ультрафіолетового випромінювання є ртутні лампи, виготовлені з кварцового скла (оскільки звичайне скло не пропускає ультрафіолетову радіацію}. Під дією електричного струму ртутні пари дають яскраве зеленувато-біле світло, багате на ультрафіолетове випромінювання.

Існують два основні види апаратів для опромінення: апарати із зануреними і незануреними джерелами ультрафіолетових променів. Апарати із зануреними джерелами відзначаються високим коефіцієнтом використання бактерицидної потужності радіації, але конструктивно вони є складними. Апарати з незануреними джерелами у конструктивному відношенні оформлені досить просто, але в них непродуктивно втрачається частина бактерицидної потужності внаслідок розсіювання променів, поглинання їх відбиваючими поверхнями.

Знезараження опроміненням не вимагає додавання у воду хімічних реагентів, не змінює фізико-хімічних властивостей домішок і не впливає на смакові якості води. Але використання методу обмежується високою вартістю обробки води й відсутністю післядії. Короткочасність знезаражуючого ефекту виключає застосування методу, якщо існує небезпека повторного зараження води.

Знезараження води ультразвуковими хвилями. Ультразвуком називають механічні коливання. частота яких вища за поріг чутливості людського вуха, тобто більше 20 кГц. Велика інтенсивність коливань - одна з особливостей ультразвуку - зумовлює його фізико-хімічну та біологічну дії.

Єдиної теорії, яка пояснювала б досконало бактерицидну дію ультразвуку, на даний час немає. Найбільш вірогідною є гіпотеза, що пояснює дію ультразвуку на бактерії у воді явищем кавітації, тобто утворенням у рідині порожнин та бульбашок, миттєве “закривання” яких підвищує тиск до десятків тисяч атмосфер.

До сьогоднішнього часу дослідження ультразвукових хвиль з метою використання їх на практиці на вітчизняних водопроводах не вийшло із стадії експериментів. За кордоном існують промислові установки.

Термічне знезараження води. Термічний метод знезараження застосовується для невеликих об’ємів води. Цим методом користуються в побутових умовах, в санаторіях, в лікарнях, на суднах, у потягах. Знезараження досягається 5-10-хвилинним кип’ятінням.

Термічний метод знезараження води не знайшов застосування навіть на малих водопроводах через його високу вартість, пов’язану з великими витратами палива, та через малу продуктивність установок.

Ефективність різних методів знезараження води. Серед відомих окисних методів знезараження води найбільше практичне застосування отримало хлорування. В основному використовується рідкий хлор, але можуть застосовуватися і препарати, які містять активний хлор (хлорне вапно, гіпохлорити кальцію і натрію, хлораміни, діоксид хлору та ін.), а також активний хлор, отриманий методом електролізу на місці використання. Світове виробництво рідкого хлору в кінці 80-х років ХХ ст. досягало 30млн т на рік, а його ціна за 1т становила 330 доларів. На очистку і знезараження природних і стічних вод витрачається близько 2млн т хлору (І.Г.Сиркіна та ін., 1988).

Основною особливістю хлору є його здатність консервувати оброблену воду протягом досить тривалих проміжків часу, а відносна доступність і дешевизна зумовили широке використання методу хлорування вже на початку XX ст. і до нашого часу.

Застосування на практиці водопідготовки інших окисників (озону, йоду, брому, перманганату калію, пероксиду водню та ін.) як основних реагентів стримується їх дефіцитом, високою вартістю, відсутністю широкомасштабних спеціальних досліджень, багаторічних спосте­режень за дією на організм людини продуктів їх взаємодії з неорганічними і органічними домішками природних вод (табл. 5.). Так. застосування тільки озонування недостатньо для надійного знезараження питної води через дуже малий період його післядії. Озонування ефективно застосовується для деструкції органічних, токсичних чи важко окиснюваних веществ (М.О.Шевченко та ін., 1979).

Обробка води іонами важких металів (наприклад, срібла) прийнятна для пристроїв незначної продуктивності. Коагулювання, флокулювання і такі фізичні методи, як γ -опромінення, обробка ультрафіолетовими променями та інші також не забезпечують консервацію води.

Наявність певних недоліків і технологічних труднощів у застосуванні цих методів поки що не дозволяє успішно конкурувати їм з методами хлорування. Їх використання можливе як проведення додаткових заходів, що посилюють, чи коригують методи хлорування в особливих випадках.

Відомо ряд комбінованих методів хлорування води:

- хлорування з амонізацією,

- хлорування з мангануванням,

- хлорсрїбний метод та ін.

Хлорування з амонізацією рекомендується у таких випадках:

- за появи хлорфенольних запахів і присмаків;

- для економії хлору за високого хлоропоглинання води і відсутності запахів, присмаків і значного бактеріального забруднення;

- для консервації залишкового хлору у довгих водоводах і мережах з метою забезпечення санітарного режиму;

- для зменшення корозії стальних водоводів;

- з метою зниження інтенсивності запаху і присмаку хлору, особливо відчутного в літній час;

- для попередження утворення токсичних веществ при хлоруванні води, яка містить гумусові кислоти.

Хлорування з мангануванням (додається розчин КМпО₄) застосовують за необхідністю посилити окисну й бактерицидну дію хлору. Додавати перманганат каліюслід перед відстійниками. Відновлюючись до МпО₂, він повністю затримується у відстійниках і на фільтрах (Таблю 5.2).

Таблиця 5.2. - Характеристика сучасних методів знезараження води (за О.В.Сліпченком, Л.А.Кульським, Є.С.Мацкевичем, 1990)

Продовження таблиці 5.2

Продовження таблиці 5.2

Продовження таблиці 5.2

Хлорсрібний метод достатньо широко застосовується на суднах морського флоту. Він забезпечує ефективне знезараження води та її консервацію на тривалий строк (до б місяців).

Бактерицидну, віруліцидну і окисну дію хлору можна посилити впливом ультразвуку, ультрафіолетового опромінення, електричного струму.

Утворення токсичних хлорорганічних сполук при хлоруванні води. Органічний склад природних вод формується за участю ґрунтового і торфового гумусу, планктону, вищої водної рослинності, тваринних організмів, а також органічних речовин, які вносяться у водойми унаслідок розвитку населених пунктів, промисловості й сільського господарства.

При хлоруванні води витрати хлору на різні органічны речовини приблизно такі, % від загальної дози хлору:

Окиснення органічних веществ до СО₂ 50-80

Утворення галогенацетонітрилу 0-5

Утворення тригалогенметанів (ТГМ) 0, 5-5

Утворення хлорвмісних сполук (без ТГМ) 1-6

Інші реакції решта.

Треба чітко знати, що за певних умов при обробці води активним хлором можуть утворюватися небезпечні для здоров’я людини речовини, зокрема: хлороформ (має канцерогенну активність); дихлорбромметан, хлоридбромметан, трbбромметан (мають мутагенні властивості); 2, 4, б-трихлорфенол, 2-хлорфенол, дихлорацетонітрил, хлорпіридин, поліхлоровані біфеніли (є імунотоксичними та канцерогенними).

Основними заходами, які рекомендуються для попередження появи цих небезпечних веществ при хлоруванні природних вод, є:

Ø зменшення концентрації хлору в зоні реакції;

Ø скорочення тривалості контакту з вільним хлором;

Ø усунення основної маси органічних речовин коагулюванням і адсорбцією до хлорування;

Ø заміна попереднього хлорування озонуванням чи обробною діоксидом хлору.

Граничнодопустимі концентрації таких токсичних сполук, як тригалогенметани (ТГМ), у національних і міжнародних стандартах якості питної води коливаються в широких межах (від 1 до 100 мкг/л), оскільки це питання ще мало вивчене. Так, стандарти ЄЕС вимагають вилучення ТГМ до 1 мкг/л, рекомендації ВООЗ - до 10-30 мкг/л, стандарт США - до 100 мкг/л, а рекомендації нашого Міністерства охорони здоров’я - до 60 мкг/л.

У результаті проведених в останні роки досліджень було встановлено, що у воді можуть бути присутніми токсичні леткі галогенорганічні сполуки (ЛГС). Це в основному сполуки, що відносяться до групи ТГМ: хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан, бромоформ та інші, які мають канцерогенну і мутагенну активність.

Медиками виявлено взаємозв’язок між кількістю онкологічних захворювань і споживанням населенням хлорованої води, яка містила галогенорганічні сполуки. Для шести високо пріоритетних летких хлорорганічних сполук (ЛХС) Міністерство охорони здоров’я встановило орієнтовно безпечні рівні їх впливу на людину (ОБРВ) з урахуванням бластомогенної активності (табл. 5.3).

Таблиця 5.3. -Високо пріоритетні ЛХС та їх допустимі концентрації у питній воді, мг/л

ЛХС можуть потрапляти у питну ваду у результаті:

1) забруднення джерел водопостачання промисловими стічними водами, які містять ЛХС;

2) взаємодії хлору з органічними веществами, які є у природній воді, в процесі водоггідготовки.

Основні концентрації ЛХС утворюються на етапі первинного хлорування води при введенні хлору в неочищену воду. У хлорованій воді виявлено понад 20 різних ЛХС. Найбільш часто відзначається присутність ТГМ і чотирихлористого вуглецю. При цьому кількість хлороформу, як правило, на один-три порядки перевищує вміст інших ЛХС.

З метою оцінки якості води джерел водопостачання відносно ЛХС перш за все визначають їх вміст у природній воді, потім у воді, яка пройшла водопідготовку. Аналізи проводять у різні періоди року (один - два рази на квартал), а також у періоди різкої зміни якості води (водопілля, паводки). За даними аналітичного контролю визначається необхідність зміни технології водопідготовки з метою зниження концентрації ЛХС.

Перспективи хлорування води. З табл. 5.4, у якій наведені дані про світове виробництво і застосування основних хлорвмісних дезінфекантів, видно, що хлор-газ є головним серед них.

Таблиця 5.4. Структура виробництва і застосування хлорвмісних дезінфекаитів на 1985 р. (за І.Г.Сиркіною та ін., 1988)

У світі зростає використання кристалічного гіпохлориту кальцію на 3-4 %, як найбільш зручного і ефективного засобу для дезінфекції води плавальних басейнів і малих систем водообробки. У той самий час з літератури відомо, що скорочуються загальні витрати хлору для обробки води за рахунок удосконалення технологій водоочистки. Зокрема, в США використання хлору з 1980 по 1985 р. знизилося з 552 до 405 тис.т, а в Японії - з 59 до 50 тис.т.

У концепції поліпшення якості питної води в Україні, яку було створено згідно з прийнятою урядом 1991 р. науково-соціальною програмою " Питна вода", передбачено розробку і впровадження сучасних технологій отримання якісної питної води з використанням озону, пероксиду водню, що виключає застосування хлору в технології очистки і запобігає утворенню високотоксичних хлорорганічних сполук.

Контрольні запитання

1. Дайте характеристику груп домішок у природній воді за класифікацією Л.А. Кульського.

2. Що таке водоочистка?

3. Що передбачає водопідготовка?

4. Які методи освітлення, усунення кольоровості, присмаків та запахів?

5. В чому полягає суть процесу коагуляції?

6. Що передбачає метод окислення?

7. Особливості обробки води активованим вугіллям?

8. Як відбувається хлорування води. Методи і концентрації?

9. Як відбувається озонування води?

10. Як відбувається йодування води?

11. Безреагунтні методи знезараження води. Переваги та недоліки.

12. Які перспективи хлорування води?