Тема 7. Очистка и обеззараживание воды

Цель занятия:

1. Ознакомление с методами очистки и обеззара­живания воды.

2. Проведение очистки и обеззараживания конкретной воды.

3. Оформление гигиенических заключений по оценке результатов проведенных очистки и обеззараживания методами коагуляции, фильтрации и нормального хлорирования.

Место проведения занятия: учебно-профильная лаборатория гигиены воды.

Для улучшения качества воды применяются следующие методы: очистка, обеззараживание и специальные методы обработки. Очистка пред­полагает улучшение органолептических и физико-химических пока­зателей воды. Обеззараживание является конечной ступенью защи­ты и предохраняет питьевую воду от внешнего загрязнения и вто­ричного роста микроорганизмов при распределении.

Гигиеническая оценка современных способов очистки воды

Основными способами очистки воды являются отстаивание, ко­агуляция, фильтрация и аэрация. Коагуляция связана с добавле­нием химических реактивов (сульфат алюминия, сульфат двух- или трехвалентного железа и хлорид трехвалентного железа) для нейтрализации зарядов на частицах и облегчения их агломерации при медленном перемешивании. Образующиеся при этом хлопья под­вергаются осаждению, поглощая и захватывая природные окрашен­ные вещества и минеральные частицы и вызывая значительное сни­жение цветности, мутности и содержания простейших бактерий и вирусов. При использовании в качестве коагулянта сернокислого алюминия образование хлопьев протекает по следующей реакции:

Al₂(SO₄)₃ + Ca(HCO₃)₂ = 2Al(OH)₃ + 3CaSO₄ + 6CO₂.

Хлопья не образуются, если щелочность воды ниже 1,4 мг-экв/л. В этом случае требуется предварительное ее под­щелачивание. Затруднен процесс хлопьеобразования и в холодной воде. При низкой температуре воды целесообразно использовать вместо сернокислого алюминия более тяжелые коагулянты: серно­кислое железо и хлорное железо. Эффективность коагуляции зави­сит также от цветности, мутности воды и других факторов. Учи­тывая вышеизложенное, не представляется возможным точно расс­читать оптимальную дозу коагулянта. Она подбирается опытным путем, когда из трех взятых в опыте доз выбирается та, которая обеспечивает хорошее осветление воды.

Удалить образовавшиеся в результате коагуляции хлопья мож­но отстаиванием или фильтрацией. Отстаивание – осаждение хлопьев на дно под действием силы тяжести. Этот способ практи­чески не применяется. Способ фильтрации предполагает пропуска­ние воды через фильтры, которые делятся на быстрые и медлен­ные. Они отличаются друг от друга не только скоростью, но и качеством фильтрации. В медленном фильтре основным действующим материалом служит речной песок, на поверхности которого обра­зуется пленка, состоящая из бактерий, свободно живущих прос­тейших, ракообразных и личинок беспозвоночных, осуществляющих окисление органических веществ в воде и превращение азота ам­миака в нитраты. Патогенные бактерии, вирусы и паразиты (гель­минты и простейшие) удаляются главным образом за счет адсорб­ции и последующего уничтожения хищными микроорганизмами. Бак­терии удаляются на 98–99,5%, содержание кишечной палочки сни­жается в 1000 раз, а удаление вирусов еще больше. Аэрация (разбрызгивание) – удаление из воды газообразных вредных веществ.

С целью интенсификации очистки воды разработаны современные реагентные материалы, позволяющие оптимизировать процессы хлопьеобразования при коагуляции воды, повысить скорость седиментации образовавшихся хлопьев и тем самым увеличить эффективность работы фильтров. Созданы коагулянты оксихлоридного ряда (КОР), состоящие из гидроокиси алюминия и аниона хлора. При растворении в воде коагулянт образует коллоидный раствор, который обладает свойствами электролита.

Применяются и другие современные методы очистки: ультрафильтрация, обратный осмос и ионообмен. Это сочетание обеспечивает удаление мелких примесей, коллоидов, микробов, органических молекул, деионизацию воды. Для удаления крупных примесей используют волоконные фильтры. Освобождение от мелких примесей и микробов происходит на мембранных фильтрах, имеющих субмикронный размер пор. Очистка воды обратным осмосом основана на фильтрации через полупроницаемую мембрану под действием внешнего давления. Большинство примесей не проходит через такую мембрану. Они собираются на поверхности мембраны, а затем смываются.

Полная безопасность воды в эпидемическом отношении дости­гается проведением обеззараживания. Традиционная система отечественной очистки воды включает последовательное использование хлорирования, отстаивания и фильтрации. Вода, поступившая на водозабор, подвергается хлорированию. Затем крупные взвешенные органические частицы в течение нескольких часов оседают в отстойнике. Затем – фильтрация через песчано-гравийный и (или) сорбционно-угольный фильтры. Поскольку качество воды в городе Воронеже отличается повышенным содержанием железа и марганца, запахом (до 3 б.) и повышенной цветностью (до 40^o), помимо обеззараживания методом хлорирования и очистки фильтрованием, проводится безреагентное обезжелезивание.

Гигиеническая оценка современных способов обеззараживания воды

Все методы обеззараживания делятся на два группы: безреагентные и реагентные. К безреа­гентным методам относят кипячение, воздействие ультразвуком (УЗ), токами высокой частоты, g-лучами, ультрафиолетовыми лучами (УФ) и др. К реагентным методам обеззараживания относят хлорирование, перехлорирование, двойное хлорирование, хлорирование с предва­рительной аммонизацией; озонирование; использование ионов се­ребра и других химических соединений (перманганат калия, пере­кись водорода), в основе которых лежит окисление органических, неорганических веществ и бактерий. Известно, что самым сильным окислителем является озон.

Использование традиционного метода обеззараживания воды – хлорирования – сейчас расценивают как фактор повышенной опасности для здоровья населения. В сведениях ВОЗ указаны 19 соединений, которые образуются в результате хлорирования: хлорфенолы, кетоны, фураноны, галогенированные альдегиды и т.д. Во всех случаях присутствия галогенсодержащих соединений (ГСС) в воде максимум концентраций приходится на хлороформ, именно это вещество принято как ведущее приоритетное ГСС (с канцерогенным действием). Многие ГСС обладают полиморфизмом токсического действия, оказывают гепато-, рено- и нейротоксический эффекты, нарушают функции сердечно-сосудистой и репродуктивной систем. Опасность ГСС связана и с их выраженными кумулятивными свойствами. Некоторые из ГСС обладают канцерогенным действием.

Избежать образования ГСС при хлорировании невозможно. Радикальный выход – переход на другие способы обеззараживания воды. Приемлемым является озонирование. Количество побочных продуктов при озонировании значительно меньше и они менее токсичны. Лишь для одного из продуктов озонолиза – бромата характерно канцерогенное действие. Лучшим в арсенале обеззараживающих средств продолжает оставаться УФ.

Вместе с тем хлорирование пока остается наиболее доступным и простым способом обеззараживания воды. Поэтому надо реализовать приемы защиты от воздействия ГСС питьевой воды – применение активированного угля; снижение цветности и окисляемости воды; охрана водоисточников от загрязнения промышленными сточными водами; использование вместо газообразного хлора хлораминов или, лучше, двуокиси хлора.

Однако только полный запрет хлорирования воды позволит кардинально решить проблему ГСС и предупредить неблагоприятное влияние ГСС на здоровье нации.

Недостатки традиционных способов обеззараживания питьевой воды заставляют искать новые, основанные, как правило, на комбинированном действии двух или нескольких факторов: хлор+озон; хлор+УФ; перекись водорода+озон; УФ+УЗ; комплекс электрических воздействий.

Для хлорирования используют газообразный хлор, хлорную из­весть, гипохлориды, хлорамины. Хлорную известь получают при взаимодействии хлора с гашеной известью:

2Cl + 2CA(OH)₂ = Ca(OCl)₂ + CaCl₂ + 2 H₂O.

Действующей частью хлорной извести является гипохлорит кальция – Ca(OCl)₂. OCl- является сильным окислителем. Свежие препара­ты хлорной извести содержат до 30–35% активного хлора. Умень­шение количества активного хлора ниже 15% делает хлорную из­весть непригодной для обеззараживания воды.

При обеззараживании воды нормальными дозами хлора послед­ний вносится из того расчета, чтобы после его расходования на окисление органических, неорганических веществ и бактерий в воде оставался небольшой избыток хлора. Та часть хлора, кото­рая идет на окисление всех указанных выше компонентов воды, характеризует хлорпоглощаемость, а другая часть, остающаяся в свободном состоянии, носит название остаточного хлора. Хлор­потребность воды складывается из двух величин: хлорпоглощае­мости и остаточного хлора. Содержание остаточного хлора после его 30-минутного контакта с водой должно составлять 0,3–0,5 мг/л, ибо при меньшем количестве хлора обеззараживание недос­таточно эффективно, а при большем его количестве отмечается ухудшение органолептических свойств воды.

При хлорировании воды нормальными дозами хлора точно рас­считать ее хлорпотребность не представляется возможным, так как величина хлорпоглощаемости воды из разных источников во­доснабжения неодинакова. Хлорпотребность воды определяется опытным путем с помощью трехстаканной пробы. При этом выбирают стакан, в котором содержание остаточного хлора после 30-минут­ного контакта с водой оказывается равным нормативу (0,3– 0,5 мг/л), и для хлорирования всего объема воды берут дозу хлора соответственно выбранному стакану.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

I. Коагуляция воды.

1. Определение щелочности воды. К 100 мл воды добавляют 2 капли метилоранжа и титруют 0,1 н раствором соляной кислоты до слаборозового окрашивания. Количество мл соляной кислоты, по­шедшее на титрование, укажет щелочность в мг-экв/л.

2. Проведение пробной коагуляции. Для определения опытным путем дозы коагулянта в три цилиндра наливают по 200 мл воды, которая подлежит очистке, и вносят в 1-й цилиндр 1 мл, во 2-й – 2 мл, в 3-й – 3 мл 5% раствора сернокислого алюминия. Если щелочность воды меньше 1,4 мг-экв/л, то ее повышают добавлени­ем 5% раствора соды в половинном количестве от внесенного коа­гулянта. Воду в цилиндрах перемешивают в течение 1–2-х минут, после чего наблюдают в течение 10 минут за ходом коагуляции.

Выбирают ту наименьшую дозу коагулянта, которая обеспечит быстрое образование и осаждение хлопьев на дно. При отсутствии коагуляции во всех цилиндрах ее повторяют, внося удвоенное ко­личество сернокислого алюминия. Если же коагуляция протекает чрезмерно интенсивно во всех цилиндрах и хорошо получается да­же в 1-м цилиндре, то пробную коагуляцию проводят еще раз с меньшим количеством коагулянта.

Коагуляция всего объема воды. Определяют количество мл 5% раствора сернокислого алюминия и, в случае низкой щелочнос­ти воды, 5% раствора соды на весь объем воды, затем делают пе­рерасчет на сухие препараты.

При коагуляции всего объема воды коагулянт, а при необхо­димости и соду, подают в резервуар в растворенном или мелко раздробленном состоянии. После коагуляции проводят фильтрацию воды.

II. Хлорирование воды нормальными дозами хлора.

1. Определение активного хлора в хлорной извести. Готовят 1% раствор хлорной извести: в фарфоровой чашке растирают 1 г хлорной извести с небольшим количеством дистиллированной воды. Полученную кашицу смывают во флакон и доливают дистиллирован­ной водой до 100 мл, дают отстояться. Для определения процент­ного содержания хлора в хлорной извести в стакан наливают 100 мл дистиллированной воды и вносят 10 капель приготовленно­го 1% раствора хлорной извести. Туда же добавляют 1 мл раство­ра серной кислоты (1:5), 20–30 кристалликов (1 лопаточка) ио­дистого калия, 1 мл раствора крахмала и перемешивают 20 сек. Реактивы добавляют пипеткой, считая, что 1 мл равен 25 каплям. Появление синего окрашивания указывает на присутствие хлора. Затем титруют по каплям 0,7% раствором гипосульфита натрия до обесцвечивания, имея в виду, что количество капель этого раст­вора сразу укажет на процент содержания хлора в хлорной извес­ти.

Cl₂ + 2KI = I₂ + 2KCl;

I₂ + 2Na₂S₂O₃ = 2NaI + Na₂S₄O_6.

2. Проведение пробного хлорирования. Для определения опыт­ным путем дозы хлора в три стакана наливают по 200 мл той во­ды, которая подлежит обеззараживанию. В 1-й стакан вносят 1 каплю, во 2-й – 2 капли, в 3-й – 3 капли 1% раствора хлорной извести. Растворы перемешивают и оставляют стоять 30 минут.

После 30-минутного стояния определяют остаточный хлор. Для этого в каждый стакан добавляют 1 мл серной кислоты (1:5), 10 кристалликов иодистого калия и 1 мл раствора крахмала, переме­шивают. При наличии остаточного хлора в стаканах появляется синее окрашивание, интенсивность которого зависит от содержа­ния хлора. Каждый раствор титруют по каплям 0,7% раствором ги­посульфита, 1 капля которого связывает 0,04 мг остаточного хлора, соответствуя его содержанию 0,2 мг/л:

0,04 мг остат.хлора – 200 мл воды,

Х мг остат.хлора – 1000 мл воды,

Х = 0,04 ´ 5 = 0,2 мг.

Рассчитывают содержание остаточного хлора во всех стаканах, умножая 0,2 мг/л на число капель, пошедшее на титрование. Хло­рирование считается эффективным лишь в том стакане, где содер­жание остаточного хлора составляет 0,3–0,5 мг/л.

Далее стоит задача вычислить хлорпотребность воды. Она представляет собой содержание активного хлора во внесенных каплях 1% раствора хлорной извести.

Пример. Допустим, что хлорная известь содержит 30% актив­ного хлора, следовательно,

в 100 г хлорной извести – 30 г хлора,

в 1 г хлорной извести – 0,3 г (300 мг) хлора.

Такое же количество хлора (300 мг) содержится в 100 мл 1% раствора хлорной извести:

в 100 мл 1% р-ра хлор.изв. – 300 мг хлора,

в 1 мл (25 капель) – 3 мг хлора,

в 1 капле – 0,12 мг хлора.

Следовательно, в 1-й стакан на 200 мл воды внесено 0,12 мг хлора или 0,6 мг/л: 0,12 мг хлора – 200 мл воды,

Х мг хлора – 1000 мл воды,

Х = 0,12 ´ 5 = 0,6 мг.

Если при пробном хлорировании ни в одном из стаканов не будет обнаружено необходимое количество остаточного хлора, т.е. его содержание окажется менее 0,3 мг/л, что наблюдается при хлорировании воды с высокой хлорпоглощаемостью, то опреде­ление хлорпотребности проводят вторично, внося в три стакана удвоенное количество капель 1% раствора хлорной извести.

Для всех стаканов рассчитывают хлорпоглощаемость воды, вы­читая из внесенного количества хлора содержание остаточного хлора.

3. Хлорирование всего объема воды. Рассчитывают количество капель 1% раствора хлорной извести, требуемое для хлорирования всего объема воды, проводят перерасчет на мл того же раствора и г сухого препарата хлорной извести.

Сводные данные проведенных исследований

Таблица 26

Коагуляция воды

Порядок записи по ходу работы	№№ цилиндров
Пробная коагуляция
Внесенное количество мл 5% раствора коагулянта на 200 мл воды
Внесенное количество мл 5% раствора соды на 200 мл воды (если она применялась)
Время наступления коагуляции, минуты
Доза коагулянта, мг/л
Расчетные данные для коагуляции всего объема воды (заполнить колонку, соответствующую выбранной дозе коагулянта)
Объем очищаемой воды, л (это и последующие значения вносятся в графу того цилиндра, по которому выбиралась доза коагулянта)
Количество 5% раствора сернокислого алюминия, необходимое для очистки всего объема воды, мл
То же для 5% раствора соды
Количество сухого коагулянта, необходимое для очистки всего объема воды, мг
То же для соды

Гигиеническое заключение. Дается оценка проведенной очистки воды. Ука­зываются примененные способы очистки воды, доза коагулянта (в мг/л) и количество коагулянта, необходимое для очистки конкретного объема воды. Отмечаются результаты очистки воды (по органолептическим показателям).

Таблица 27

Обеззараживание воды нормальными дозами хлора

Порядок записи по ходу работы	№№ стаканов
Пробное хлорирование
Внесенное число капель 1% раствора хлорной извести на 200 мл воды
Число капель 0,7% раствора гипосульфита натрия, пошедшее на титрование
Содержание остаточного хлора, мг/л
Вычисленное количество хлора во внесенных каплях 1% раствора хлорной извести, мг/л
Хлорпотребность воды, мг/л
Хлорпоглощаемость воды, мг/л
Расчетные данные для хлорирования всего объема воды (заполнить колонку, соответствующую выбранной дозе хлорной извести)
Объем обеззараживаемой воды, л
Количество капель 1% раствора хлорной извести, необходимое для хлорирования всего объема воды
Количество мл 1% раствора хлорной извести, необходимое для хлорирования всего объема воды
Количество сухого препарата хлорной извести, необходимое для хлорирования всего объема воды, мг

Гигиеническое заключение. Оценивается эффективность проведенного обез­зараживания воды нормальными дозами хлора. Указываются стакан, по которому рассчитывалась доза хлора для всего объема воды, содержание остаточного хлора в нем и количество хлорной извес­ти, необходимое для обеззараживания данного объема воды.

Контрольные вопросы.

1. Понятие об очистке и обеззараживании воды.

2. Гигиеническая оценка основных способов очистки воды.

3. Физико-химические процессы, лежащие в основе коагуляции.

4. Коагулянты, используемые в практике водоснабжения.

5. Влияние физико-химических свойств воды на эффективность ко­агуляции.

6. Определение дозы коагулянта.

7. Виды фильтров, используемые в практике водоснабжения.

8. Гигиеническая оценка основных способов обеззараживания воды.

9. Недостатки метода обеззараживания с использованием препаратов хлора.

10. Комбинированные методы обеззараживания воды.

11. Гигиеническая характеристика различных методов хлорирования воды.

12. Понятие о хлорпотребности, хлорпоглощаемости и остаточном хлоре. Нормативы остаточного хлора. Механизм действия хлора.

13. Определение величины хлорпотребности.