Загрязнение водных сред микроорганизмами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Актуальность работы. Данное исследование является актуальным, по причине усиления техногенного и антропогенного воздействия на гидросферу Российской Федерации. Усиление техногенного воздействия на природную среду РФ в свою очередь, влечет к ряду экологических проблем, которые охватывают все среды обитания живых организмов.

Одна из главных проблем - некачественная очистка сточных вод, которая приводит к ухудшению качества природных водоемов вследствие к развитию опасных бактерий и микроорганизмов, заражающие человека инфекционными заболеваниями.

В настоящее время сточные воды подразделяются на две основные группы. Бытовые стоки - стоки от жилых помещений и санитарных узлов и производственные стоки - воды которых используют в технологических процессах. Все крупные предприятия в последние несколько лет, переходят на использование воды по закрытой технологии, обеспечивающей минимальный забор и утечку недостающей воды из окружающей среды. Для бытовых вод подобную закрытую технологию не используют, так как степень очистки не соответствует санитарным нормам качества подачи воды для бытовых помещений. Бытовые стоки после некоторой очистки сбрасывают в водный бассейн.

А ведь от чистоты водоемов, рек, озер, морей зависит многообразие животного и растительного водного мира, и как следствие благосостояние нации и развитие экономики страны в целом. Когда речь идет о сточных водах, то люди часто не задумываются о масштабах этой проблемы. Сточные воды, являясь одним из активнейших загрязнителей окружающей среды, поражают биоценоз не только водоемов, но и близлежащих к ним территорий. Поэтому, нарушая биоценоз водного мира, мы нарушаем биогеоценоз в целом. Вода - одна из составляющих абиотических факторов любого биогеоценоза.

Патогенные микроорганизмы, содержащиеся в питьевой воде, главная причина таких возбудителей заболевания как холера, амебиаз, диарея (до 5-ти летнего возраста) и шистосомоз, повлекли к большому числу умерших. Практически все самые тяжелые инфекционные болезни человечества вызваны бактериями (чума, сибирская язва, дифтерия) люди до сих пор помнят ужасы тех эпидемий.

Поэтому перед нами стоит очень важная задача, усовершенствовать сорбционный метод очистки воды от микробиологических загрязнений. Сорбционный метод очистки сточных вод от микроорганизмов и бактерий является наиболее эффективным и экологически приемлемым методом. Преимуществом метода является высокая глубина очистки, отсутствие вторичных загрязнений, управляемость процессом и небольшая площадь, занимаемая установкой сорбционных фильтров.



1. Обзор и анализ литературных источников

Необходимость очистки сточных вод

На сегодняшний день все страны мира ставят перед собой цель защитить водоемы от превышения определенных максимальных концентраций вредных для водоемов веществ.

То, до какой степени чистоты необходима очистка, зависит прежде всего, от соответствующего водоприемника. Если раньше очисткой сточных вод достигались цели удаления осаждаемых веществ, а затем растворимых органических соединений углерода, то сегодня необходимо также удаление питательных веществ - азота и фосфора, а вследствие антропогенного воздействия на гидросферу, усиленное удаление следов вредных веществ и возбудителей заболеваний - патогенных микроорганизмов. Болезнетворные микроорганизмы наиболее опасные возбудители инфекционных заболеваний.

Бактериологическая загрязненность представляет прямую угрозу здоровью человека, она определяется общим числом бактерий и микробов, находящихся в воде. При этом следует помнить, что в процессе своей жизнедеятельности даже считающиеся безопасными бактерии выделяют органические вещества, которые в свою очередь отрицательно влияют на органолептические свойства воды, также, вступая в химические реакции с галогенидами, могут создавать ядовитые и канцерогенные соединения.

Нахождение в питьевой воде микроорганизмов может привести к серьезным последствиям, особенно колиморфные бактерии и энтеровирусы, вызывающие вирус гепатита, такие болезни как брюшной тиф, дизентерия и поражающие желудочно-кишечный тракт. Они разносятся сточными водами с полей, удобряемых навозом, попадают в воду из городских канализаций. Дожди и разливы рек смывают навоз в водоемы, где микрофлора начинает бурно размножаться. Чтобы обеззаразить воду от микроорганизмов, её хлорируют. Но не следует уповать на этот способ обеззараживания как безопасный. Есть группы вирусов, на которые действие хлора не распространяется.

Инфекционные болезни, вызываемые патогенными бактериями, вирусами и паразитами (например, протозойными и гельминтами) представляют собой наиболее общий и широко распространенный риск для здоровья, связанный с питьевой водой. Масштабы медико-санитарной проблемы определяются тяжестью заболеваний, обусловленных патогенами, их инфекционностью и числом людей, подвергшихся этой опасности. Нарушение безопасности водоснабжения может привести к крупномасштабному загрязнению и, потенциально, к заметным вспышкам заболеваний. Другие нарушения и незначительное, потенциально неоднократное загрязнение могут приводить к крупным спорадическим вспышкам заболеваний, однако эпиднадзор может и не связывать их с источниками питьевой воды. Выявлению и регулированию рисков, в особенности связанных со спорадическими заболеваниями, может помочь количественная оценка риска.

Удаление микрозагрязнений

Проблема очистки питьевой воды с каждым годом становится более актуальна, из-за постоянно растущего дефицита водоснабжения. Микробиологические загрязнения занимают особое место, среди различного рода загрязнений находящихся в воде, имеют антропогенное происхождение и вносятся в водную среду через множество источников[1].

Можно выделить следующие вещества, продукты и товары, способствующие образованию микрозагрязнений:

· Медикаменты для людей и животных;

· Продукты личной гигиены;

· Средства обработки растений и борьбы с вредителями;

· Средства огнезащиты;

· Средства дезинфекции;

· Вещества гормонального действия;

· Промышленные химикаты;

· Поверхностно-активные вещества (ПАВ);

· Рентгеноконтрастные препараты, а также

· Метаболиты вышеназванных веществ.

Микрозагрязения в сточных водах могут быть удалены из очистного сооружения или сокращены различными методами. Важнейшие процессы - это сорбция и биологическое разложение.

Сорбция может быть подразделена:

· На абсорбцию: прием атома, молекулы или иона в другую фазу;

· Адсорбцию: накопление веществ из газа или жидкости на поверхности (пограничной плоскости) твердого тела.

Для повышения показателя удаления микрозагрязнений либо активизации процессов сорбции и биологического разложения можно применять различные эффективные методы, к которым относятся мембранный метод, метод окисления и сорбционные методы.

Адсорбция активированным углем

Это метод, пригодный для сокращения количества микрозагрязнений. При его использовании различаются преимущественно две методики: первая - это применение фильтра с гранулированным активированным углем, а вторая - добавление порошка активированного угля с последующей флокуляционной фильтрацией или другими методами отделения. Большая часть исследованных микрозагрязнений хорошо сорбируется активированным углем. Кроме того, возможное биологическое воздействие в фильтре из активированного угля может быть важным с точки зрения биологического преобразования некоторых веществ для сокращения количества микрозагрязнений. Если в грунтовых водах или необработанной воде обнаруживаются органические вещества в малых дозах, например средства защиты растений, то в большинстве сооружений по водоподготовке применяется дополнительная фильтрация активированным углем. Лишь некоторые исключения, например антибиотик сульфаметаксозол и некоторые йодированные рентгеноконтрастные препараты, не демонстрируют оптимальных адсорбционных свойств. Что касается рентгеноконтрастных препаратов, неионные рентгеноконтрастные препараты сорбируются лучше, чем ионные. Для предотвращения проникновения ионных рентгеноконтрастных препаратов после фильтра из активированного угля необходима заблаговременная регенерация активированного угля.

Окисление

Применение методов окисления приводит к химическому изменению синтетических соединений. Могут использоваться различные окиляющие средства, в том числе озон, УФ-свет, хлор, диоксид хлора, перекись водорода и т.п.

В целом можно признать, что применение окисления дает возможность удалить микрозагрязнения, но необходимо учитывать большие затраты и угрозу образования более вредных продуктов разложения.

Мембранный метод

Изначально область применения мембранного метода - это подготовка питьевой воды из смеси речной и морской воды или из морской воды.

Действие мембранных методов основано на разности потенциалов (разнице давлений) между обеими сторонами мембраны, при которой возникает поток веществ через мембрану. Благодаря этому потоку веществ осуществляется разделение веществ, т.е. растворяющая среда вытесняется из концентрированного раствора, и в нем накапливаются твердые вещества.

При помощи ультрафильтрации микрозагрязнения удаляются недостаточно. При нанофильтрации и обратном осмосе возможно сокращение этих веществ на 93-99%, следовательно, эти методы эффективны; однако для достижения такой степени удаления необходимо применить давление от 10 до 150 бар. Мембранный метод удаления микрозагрязнений неэкономичен из-за высоких энергозатрат, затрат на удаление концентрата и инвестиционных затрат.

Комбинации методов

Как адсорбция, так и окисление имеют избирательное, т.е. зависящее от вещества, действие.

Таким образом, для целенаправленного удаления определенных веществ рекомендовано, например, комбинировать друг с другом различные окислители; в подготовке питьевой воды освоено озонирование с последующей адсорбцией активированным углем. Этим сочетанием методов удаляется почти полный спектр микрозагрязнений, а кроме того, эффективно устраняется путем окисления или биологически разлагается ядовитый остаточный озон и метаболисты окисления.

Сорбционные процессы

Природные сорбенты - цеолиты, бентониты, опал-кристобаллитовые породы, палыгорскитовые глины и др. играют важную роль в техническом прогрессе очистки сточных вод, благодаря своим физико-химическим свойствам [11 - Дистанов У.Г., Михайлов А.С., Конюхова Т.П. Природные сорбенты СССР. - М.: Недра. - 1990. - 208 с.].

Изучение и промышленное использование природных сорбентов началось только в середине XX в. Во время открытия крупных месторождений цеолитовых пород.

Все больший интерес проявляют к изучению свойств минеральных сорбентов, для удаления из воды дисперсных примесей, нефтепродуктов, красителей, микробиологических загрязнений и др. [Дистанов У.Г., Михайлов А.С., Конюхова Т.П. Природные сорбенты СССР. - М.: Недра. - 1990. - 208 с.

Везиров А.И. Гигиеническая оценка цеолитов закавказских мес­торождений, предлагаемых для совершенствования технологиче-сих схем обработки воды хозяйственно-питьевых водоисточни­ков / Автореф. дисс. … канд. мед. наук. - Баку. - 1985. -21 с.

Тарасович Ю.И. Физико-химические свойства закарпатского клиноптилолита и его применение в качестве фильтрующего материала при очистке воды // Химия и технология воды. - 1981. - №1. - С. 66ч69.

Феофанов Ю.А. Проблемы и задачи в сфере обеспечения населения питьевой водой // Вода и экология. - 1999. - №1. - С. 4ч7.

Косоруков А.А. Очистка радиактивно загрязненных вод с ис­пользованием природных и механоактивированных сапонитовых и гауконитовых глин // Химия и технология воды. - 1998. - Т. 20, №3. - С. 289-295.

Кульский Л.А. Теоретические основы и технология кондициони­рования воды. - Киев: Наукова думка, 1980. - 559 с.].

Минералы и горные породы входят в группу природных сорбентов, которые обладают высокими адсорбционными и фильтровальными свойствами [Дистанов У.Г., Конюхов Т.П. Минеральное сырье. Сорбенты природные. - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1999. - 42 с.]. Для минеральных сорбентов характерны такие механизмы сорбции, как: молекулярная сорбция, ионная сорбция. Разный минеральный состав сорбентов приводит к изменению величины сорбционной емкости и кинетики.

Их активные центры представлены гидроксильными группами поверхности и избыточным отрицательным зарядом, обусловленным изоморфизмом, связанным с различными структурными позициями и ненасыщенными связями на границе структурных слоев, а также с обменными катионами, компенсирующими избыточный заряд кристаллической решетки [Дистанов У.Г., Михайлов А.С., Конюхова Т.П. Природные сорбенты СССР. - М.: Недра. - 1990. - 208 с.].

Одни виды природных сорбентов вступают в реакцию на основе катионного обмена как ионообменники, к примеру, цеолиты, бентониты, глаукониты, а другие относят к минеральным образованиям с поверхностно-активными свойствами. В основе сорбционной активности аморфных природных сорбентов лежит молекулярный обмен [Дистанов У.Г., Конюхов Т.П. Минеральное сырье. Сорбенты при­родные. - М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1999. - 42 с.].

Некоторые сорбенты, кроме того, могут проявлять и каталитические свойства. Такие характеристики как водостойкость и механическая прочность имеют большое значение для их практического использования [Кузнецов А.И. Адсорбенты, их получение, свойства и применение. - Л- : Наука, 1985. - 256 с.].

Очистка воды сорбционным методом основана на процессах адсорбциии (извлечение молекул из раствора) и ионного обмена извлечение иона из раствора).

Адсорбция - поглощение молекул растворенного в воде вещества твердым нерастворимым телом - адсорбентом. Поглощение происходит за счет физической сорбции или хемосорбции на развитой поверхности адсорбента[97].

Адсорбенты - твердые нерастворимые тела, обладающие развитой поверхностью (до 1000 м² /г) за счет высокой пористости[98].

Наиболее распространенные в природе адсорбенты - активированные угли различных марок. Они представляют собой зерненые, порошкообразные или пористые углеродные тела, и имеют большую площадь поверхности. Пористую структуру активированных углей, определяет неоднородная масса, которая состоит из кристаллов аморфного углерода и графита, а также их свойства.

Адсорбционные свойства активных углей оцениваются количеством модельного вещества, сорбированного единицей массы угля при определенных условиях, а также временем защитного действия единицы объема угля до полного его насыщения.

В основном адсорбционные свойства углей определяются микропорами, составляющими до 90% всей поверхности активного угля. На ней и протекают процессы адсорбции, в основе которых лежит взаимодействие энергетически ненасыщенных атомов углерода с молекулами адсорбируемых веществ. Лучше сорбируются вещества в молекулярной форме, хуже - в ионной. Способность органических веществ к сорбции возрастает в ряду:

гликоли < спирты < кетоны < сложные эфиры < альдегиды < недиссоциированные кислоты < ароматические соединения.

Способность к сорбции возрастает с ростом молекулярной массы и температуры.

Для оценки качества зерненых активных углей, используемых в качестве загрузки в различные типы адсорберов, важное значение имеют физико-механические характеристики, такие как: фракционный состав (зернение), насыпная плотность, механическая прочность.

По форме и размеру частиц активные угли могут быть порошкообразными, зернеными (дроблеными и гранулированными), а также волокнистыми. Порошкообразные имеют размер частиц менее 0,1 мм, зерненые - от 0,5 до 5 мм, волокнистые - диаметр менее 0,1 мм, а длину несколько сантиметров.

Порошкообразные активные угли используют для очистки воды однократно на городских станциях водоподготовки, вводя их во время или после коагуляции.

Зернистые угли применяются для очистки воды фильтрацией в аппаратах со сплошным слоем сорбента типа механического фильтра воды. В зависимости от типа угли могут регенерироваться острым паром или реагентами. Однако из-за сложности организации такого процесса, больших потерь угля и невозможности полной его регенерации (только на 40-70%) обычно уголь при очистке воды используют однократно.

Волокнистые активные угли имеют наибольшую эффективную площадь поверхности и могут применяться в фильтрах воды специальной конструкции. Они нашли широкое применение в бытовых фильтрах очистки воды.

Активные угли изготавливают на древесной и каменноугольной основах, а также из полимерных волокон. Процесс их производства заключается в пиролизе материала основы, т.е. его высокотемпературной обработке без доступа воздуха. Активные угли из древесного сырья затем дополнительно активируются обработкой острым паром.

Древесные угли характеризуются высокой пористостью (до 1,8-2,0 см³/г), широким распределением пор по размерам, большой удельной поверхностью и, как следствие, высокой емкостью. Однако они имеют низкую механическую прочность и удельную массу. В системах водоподготовки применяются, как правило, в бытовых и малогабаритных промышленных фильтрах очистки воды.

Угли на каменноугольной основе имеют значительно лучшие гидравлические и механические характеристики, что позволяет применять их в сорберах с неподвижным и движущимся слоем любых габаритов.

Особую группу представляют новые для нашего рынка импортные активные угли, изготовленные из скорлупы кокосового ореха, например, тип 207 C фирмы Sutcliffe Carbons. В них сочетаются высокая прочность, стабильный оптимальный гранулометрический состав и высокая емкость.

При адсорбции из воды извлекаются в основном молекулы органических веществ, а также коллоидные частицы и микровзвеси. Хорошо сорбируются фенолы, полициклические ароматические углеводороды, нефтепродукты, хлор- и фосфорорганические соединения. Активные угли также используются как катализаторы разложения находящихся в воде активного хлора и озона. Эти процессы могут совмещаться с сорбцией из воды органических веществ, повышая ее эффективность.

Соли, находящиеся в ионном виде, из воды активированными углями практически не извлекаются.



2. Методы дезинфекции сточных вод

сточный вода дезинфекция уголь

Для дезинфекции сточных вод имеются различные физические или химические методы. Основные из них:

Химические:

· Окисление хлором и соединениями, выделяющими хлор, или диоксидом хлора либо другими окислителями;

· Озонирование;

Физические:

· Термическая обработка;

· УФ-облучение;

· Мембранная фильтрация.

Химические методы

Органические вещества и биологические загрязнения придают воде цветность, запах, привкус, служат источниками заражения болезнетворными микроорганизмами. Одним из путей улучшения качества водя является обработка ее окислителями[стр85]. Первоначально окислители применялись только с целью обеззараживания и лишь позднее для улучшения цветности, вкуса, привкуса и запаха.

Основными окислителями, используемыми в водоподготовке являются:

· Кислород воздуха;

· Хлор-газ Cl₂;

· Другие галогены: Br, I;

· Диоксид хлора ClO₂;

· Гипохлорит натрия NaClO;

· Гипохлорит кальция Ca(ClO)₂;

· Хлорная известь (хлорид-хлорат кальция);

· Хлорамины;

· Озон O₃;

· Перманганат калия KMnO₄;

· Пероксид водорода H₂O₂;

Кислород, содержащийся в воздухе, в количестве примерно 20%, является достаточно слабым окислителем. Он практически не действует на растворенные органические вещества, а для биологических объектов является необходимым элементом их существования и размножения. В то же время кислород окисляет растворенные катионы тяжелых металлов (железо и марганец) до их высших валентностей, при которых они легче гидролизуются и затем удаляются фильтрованием. Другие, более сильные окислители не только окисляют неорганические ионы, но и дезинфицируют и дезодорируют воду.

В мировом масштабе первое место среди дезинфицирующих веществ занимает хлор и его соединения.

Хлор действует на органические вещества, окисляя их, и на бактерии, которые погибают в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы клеток.

Хлор обладает высокой дезинфицирующей способностью, относительно стоек и длительное время сохраняет активность. Он легко дозируется и контролируется. При реакциях с органическими веществами происходит образование хлорфенолов, придающих воде запах, а также чрезвычайно токсичных диоксинов. Из-за этого требуется последующая доочистка воды.

Хлорирование требует наличия систем транспортировки и хранения хлора.

Доза хлора при хлорировании предварительно фильтрованной воды составляет 2-5 мг/л в зависимости от ее хлорпоглощаемости, т.е. от наличия в ней органических и неорганических веществ, реагирующих с хлором. Она должна устанавливаться с таким расчетом, чтобы в воде, поступающей к потребителю, оставалось 0,3-0,5 мг/л свободного хлора. Это обеспечивает отсутствие вторичного заражения воды.

Гидролиз хора протекает по реакции:

Cl₂+H₂O-HCl+HClO;

HClO-HCl+O^-,

С образованием хлорноватистой кислоты, диссоциирующей на соляную кислоту и атомарный кислород, который в кислой и щелочной средах обладает сильным окислительными свойствами.

Кроме того, хлор непосредственно реагирует со многими органическими веществами, образуя их хлорпроизводные, такие как хлорфенолы, хлороформ и др.

Для дозирования хлора в воду помещают специальные вакуумные хлораторы. Они содержат узел хранения жидкого хлора, испаритель, системы фильтрации и измерения расхода газа, а также эжектор, создающий разряжение и подсасывающий газообразный хлор в смеситель, а затем полученную хлорную воду - в поток обрабатываемой воды.

Хлор продолжает оставаться основным дезинфицирующим средством и для оптимального эффекта дополняется другими средствами (озонирование, ультрафиолетовым облучением и т.п.). к его недостаткам относятся: высокая токсичность, трудность обеспечения жидким хлором удаленных объектов, образование токсичных и дурнопахнущих хлопроизводных. Постоянно проводятся исследования по замене хлора на реагенты, имеющие близкую окислительную способность, но лишенные его недостатков.

Для увеличения продолжительности бактерицидного действия хлора и предотвращения образования хлорфенольных запахов в воду наряду с хлором вводят аммиак. При его взаимодействии с хлорноватистой кислотой, которая образуется при хлорировании воды, получается монохлорамин:



HOCl+NH₃-NH₂Cl+H₂O,

который, гидролизуясь, образует сильный окислитель - гипохлоритный ион:

NH₂Cl+H₂O-OCl^-+NH₄⁺.

Гидролиз хлорамина протекает достаточно медленно, поэтому в первое время его окислительное действие ниже, чем хлора. Однако длительность бактерицидного действия хлорамина существенно больше. Поэтому аммонизацию применяют, если вода длительное время должна находиться в промежуточных резервуарах и сетях. Соотношение доз хлора и аммиака зависит от состава исходной воды. Обычно использу ется соотношение, когда аммиака в 5-6 раз меньше, чем хлора.

Диоксид хлора [87] сильнее хлора и как дезинфектант, и как окислитель, прекрасно уничтожает привкусы и запахи воды, не взаимодействует с аммиаком и эффективен в широком диапазоне рН. Однако он взрывоопасен и не может сжижаться, храниться и перевозиться. Поэтому он должен получаться на месте потребления (известно два метода: реакция хлорита натрия с хлором в присутствии кислоты или реакция хлорита натрия с соляной кислотой). В настоящее время более распространен метод получения по реакции:

4HCl+5NaClO₂>4ClO₂+5NaCl+2H₂O.

Полученный раствор дозируется в обрабатываемую воду, пропорционально ее расходу.

По сравнению с хлором диоксид хлора обладает рядом преимуществ:

· более высокое бактерицидное и дезодорирующее действие;

· отсутствие в очищенной воде хлорорганических соединений;

· высокий уровень окисления (до образования CO2);

· улучшение органолептических свойств воды.

Недостатком этого способа является образование вредных продуктов - хлоритов и хлоратов - и бoльшая стоимость по сравнению с хлором (и озоном).

В связи с высокой стоимостью диоксида хлора возможно применять его совместно с хлором - хлор вводится в воду на насосной станции или перед отстойниками в дозе, равной хлороемкости воды, а ClO2 поступает в осветленную воду в дозе 0,5-1,0 мг/л для глубокого обеззараживания, снижения запахов и цветности воды, а также улучшении ее вкуса.

В настоящее время предлагаются полностью автоматизированные установки для производства диоксида хлора и его дозировки в воду.

Гипохлорит натрия - [87] NaClO - стал применяться для дезинфекции воды с самого зарождения хлорной промышленности благодаря высокой антибактериальной активности и широкому спектру действия на различные микроорганизмы. Однако содержание активного хлора в нем относительно мало, его растворы имеют ограниченную стойкость и постепенно разлагаются с понижением содержания активного хлора.

Окислительное и бактерицидное действие гипохлорита натрия идентично растворенному хлору, кроме того, он обладает пролонгированным бактерицидным действием.

Одним из наиболее перспективных способов обеззараживания природной воды является использование гипохлорита натрия, получаемого на месте потребления путем электролиза 2-4%-ных растворов хлорида натрия (поваренной соли) или природных минерализованных вод, содержащих не менее 50 мг/л хлорид-ионов.

В настоящее время рядом заводов России серийно выпускаются электролизеры различной производительности для получения гипохлорита натрия. Производятся как малогабаритные установки с производительностью до 10 г./ч, так и относительно крупные, с производительностью до нескольких кг в час в пересчете на активный хлор.

Такие установки предназначены для обеззараживания до 1000 тыс. м3 воды в сутки. Производимый раствор содержит от 6 до 12 г./л по активному хлору. Расход электроэнергии составляет 6-8 кВт на кг активного хлора, а расход поваренной соли - 12 кг/кг хлора.

При достаточном содержании хлоридов в самой обрабатываемой воде обеззараживание может осуществляться путем непосредственного ее электролиза. Для реализации такого способа разработаны установки «поток» производительностью до 100-120 м³/ч (при содержании хлридов в воде 80-100 мг/л).

Наряду с достоинствами у обеззараживания воды гипохлоритом натрия, производимым на месте потребления, имеется и ряд недостатков, прежде всего - повышенный расход поваренной соли, обусловленный низкой степенью ее конверсии (до 10-20%). При этом остальные 80-90% соли в виде балласта вводятся с раствором гипохлорита в обрабатываемую воду, повышая ее солесодержание. Снижение же концентрации соли в растворе, предпринимаемое ради экономии, увеличивает затраты электроэнергии и расход анодных материалов.

В целях повышения эффективности и надежности обеззараживания воды в 1991 г. АО «Кемвод», г. Кемерово, впервые в России внедрило технологию обеззараживания питьевой воды привозным техническим гипохлоритом натрия. Указывается, что технология, надежная и простая в эксплуатации, позволила улучшить экологическую ситуацию в населенном пункте, повысить гигиеническую безопасность процесса очистки воды, обеспечить стабильное качество питьевой воды и уменьшить коррозию оборудования трубопроводов в 10-20 раз. Технология внедрена на водопроводных очистных сооружениях производительностью 30 и 240 тыс. м3 /сутки, а также в восьми городах и поселках Кузбасса. Однако данный метод обеззараживания, снимающий многие проблемы, присущие электрохимическому получению гипохлорита натрия на месте применения, целесообразно использовать в тех городах, где существуют предприятия химической промышленности, которые выпускают указанный продукт. В противном случае потребуются перевозки гипохлорита натрия спецтранспортом, что может существенно ухудшить экономические показатели процесса обеззараживания воды.

Гипохлорит кальция содержит больше активного хлора и более стабилен, чем гипохлорит натрия. Однако при его растворении в воде образуется не только хлорноватистая кислота, но и гидроксид кальция, из-за чего раствор гипохлорита кальция имеет сильно щелочную реакцию. Так, даже 1%-ный раствор гипохлорита кальция имеет рН 10-11, и при его введении обрабатываемая вода подщелачивается.

Перманганат калия удобен тем, что не образует веществ с неприятным запахом, не дает побочных эффектов. Его растворы допускают длительное хранение. Из-за сильного окисляющего воздействия он расходуется в первую очередь на взаимодействие с органическими и неорганическими веществами в воде, что мешает дезинфицирующему действию. К тому же его дезинфицирующее действие ниже, чем у хлора и озона. Поэтому для дезинфекции воды перманганат калия редко применяется самостоятельно. Используется для перевода солей двухвалентного железа и марганца в четырехвалентное состояние, в котором они легко гидролизуются (см. раздел об обезжелезивании воды).

К недостаткам перманганата калия следует отнести его высокую стоимость, дефицитность и опасность передозировки, поскольку марганец в питьевой воде нормируется на уровне 0,1 мг/л.

Пероксид водорода стало возможным применять в технологии водообработки только после освоения удобных и дешевых методов его получения (анодное окисление бисульфита или серной кислоты или прямое окисление изопропилового спирта). В то же время пероксид водорода токсичен, и его содержание в воде ограничивается по санитарно-токсикологическому признаку вредности уровнем 0,1 мг/л, в то время как дезинфицирующее действие пероксид водорода проявляет на уровне единиц и сотен мг/л.

Озонирование. Озон является наиболее сильным из всех известных в настоящее время окислителей. Для обработки воды он используется уже около ста лет. Однако только в последние 25-30 лет благодаря разработке озонаторов третьего поколения, резко упростивших и удешевивших его производство, началось бурное внедрение процессов озонирования воды. Предлагаются установки для производства озона в количестве от граммов до десятков килограммов в час. Они могут использоваться в небольших устройствах обработки воды и городских станциях водоподготовки.

Преимуществом озонирования воды является неспособность озона, в отличие от хлора, к реакциям замещения. Особенностью озона является и быстрое разложение в воде с образованием кислорода, т.е. озон обладает практически полной экологической безопасностью. К недостаткам озона относится сложность его производства на месте использования, необходимость больших затрат электроэнергии на его синтез, а также малое последействие, поскольку озон разлагается в воде примерно за 30 минут. Это заставляет проводить финальное хлорирование, правда, с дозой, существенно уменьшенной по сравнению с обычным способом, что предотвращает образование в воде токсичных хлорпроизводных.

Преимущество озонирования воды перед хлорированием объясняется следующим. По традиционной схеме улучшение качества воды обеспечивается тремя процессами. Для обесцвечивания воды применяется коагуляция. Улучшение органолептических свойств воды достигается при помощи сорбционных методов. Для обеззараживания воды применяется хлорирование. Необходимость использования трех различных процессов усложняет технологию обработки воды. При использовании коагулянтов в воду вносятся дополнительные загрязнения. Из-за значительной стоимости сорбционных загрузок часто приходится отказываться от улучшения вкусовых свойств воды. Использование хлора приводит к образованию в воде упомянутых хлорорганических соединений, оказывающих сильное действие на организм человека.

Озонирование за счет высокой окислительной способности озона позволяет одновременно достичь обесцвечивания воды, устранения привкусов и запахов и ее обеззараживания. При этом в воду не вносятся посторонние примеси и не образуются вредные для человека соединения.

Механизм бактерицидного действия озона объясняется его влиянием на обмен веществ в живой клетке, при котором нарушается равновесие превращения активной сульфидной группы в неактивную группу. Установлено, что озон универсально разрушает микроорганизмы в воде. Это можно объяснить способом действия озона. В отличие от обычно употребляемого хлора, озон не дает обратного замедляющего эффекта на внутриклеточные ферменты. Из-за высокой окислительной способности озон действует как окислитель на стенку-мембрану клетки вплоть до проникновения внутрь микроорганизма и окисления определенных важных компонентов (протеинов, ферментов, ДНК, РНК). Когда большая часть мембраны разрушена, клетка погибает. Если стенка-мембрана разрушена частично, клетка может соединиться с другой клеткой, что объясняет наблюдаемые иногда явления регенерации (сублетальное поведение).

Озонирование воды имеет преимущества перед хлорированием по воздействию на органолептические характеристики воды. Известно, что окраска вод обусловлена наличием попадающих в них в результате вымывания из почвы или торфа окрашенных гумусовых кислот (в составе гумусовых кислот различают гуминовые кислоты и фульвокислоты). При этом обесцвечивание раствора гуминовых кислот почвенного и торфяного происхождения озоном не связано с деструктивным окислением, поскольку в углекислый газ в этих условиях переходит незначительная часть углерода. Наблюдаемое обесцвечивание объясняется окислением фенольных гидроксилов до соответствующих хинонов и далее разрывом молекул по мостикам, соединяющим ароматические ядра, и образованием менее окрашенных фульвокислот, а гумусовые кислоты остаются в воде в виде малоокрашенных креновых и надкреновых кислот.

При озонировании продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и водорослей происходит практически полное удаление запахов и привкусов в широком диапазоне кислотности, температуры и ионного состава воды.

Интересным вариантом использования озонирования является его применение при производстве бутилированной воды. Вводя в воду не посредственно перед розливом избыточное количество озона, добиваются того, что после закупорки бутылей выделяющийся из воды озон стерилизует их верхнюю часть и пробку. Затем озон медленно разлагается, насыщая воду кислородом, что придает ей родниковый вкус.

Используется озон и для «холодной стерилизации» емкостей, трубопроводов и бутылок. Для этого их обрабатывают водой с растворенным значительным избытком озона.

По современной технологии производство озона осуществляется [91] на месте применения на специальных установках - озоногенераторах. Озон образуется при высокочастотном коронном разряде в потоке осушенного воздуха. Расход энергии составляет 5-15 кВт/кг О₃·ч. Концентрация озона в воздухо-озонной смеси составляет 50-250 г./м³.

Следующей задачей является введение озона в воду. Для его растворения используются методы барботажа и эжекции.

В крупных промышленных установках наиболее часто используется барботаж озоно-воздушной смеси через очищаемую воду. Сложнейшей проблемой является обеспечение одинакового времени контакта пузырьков с водой. Для этого необходимо создание равномерных пузырьков, а также их введение по всему объему воды.

В установках относительно небольшой производительности наиболее распространен и достаточно эффективен метод эжекции. Очищаемая вода проходит через эжектор, создает в нем разрежение, при котором в воду засасывается необходимое количество озона. Интенсивное перемешивание в эжекторе диспергирует озон на мельчайшие пузырьки с огромной поверхностью контакта. Поэтому скорость растворения велика. Кроме того, разрежение на линии после озоногенератора гарантирует безопасность от попадания озона в воздух рабочих помещений.

После растворения озона необходимо обеспечить определенное время его контакта с водой для осуществления химических реакций окисления и удаления из воды избыточного количества воздуха и озона. Для этого устанавливают контактно-сепарационный аппарат, из которого вода направляется на угольный фильтр для доочистки от органики и деструкции озона.

Совместить эффективное растворение озона и заданную длительность его контактирования с водой позволяют пульсационные колонны со специальными распределительными тарелками. Озоно-воздушная смесь вводится в нижнюю часть колонны; возвратно-поступательное движение воды, создаваемое специальным пульсатором, и распределительные тарелки обеспечивают ее диспергацию до пузырьков заданных оптимальных размеров, которые поднимаются противотоком к двигающемуся вниз потоку воды. Этим достигается высокая степень использования озона при большой удельной производительности аппарата.

При любом методе подачи озона он полностью никогда не растворяется и удаляется с отходящими из адсорбера газами. Допустимое содержание озона в воздухе составляет 0,2 мг/м³. Поэтому этот озон должен быть деструктирован. Используются каталитический и термический методы.

Физические методы

УФ-облучение

Ультрафиолетовое облучение приводит к повреждению носителя наследственности микроорганизмов. Особенно действенно УФС-облучение (длина волны 100-280 нм). Основными определяющими величинами являются средняя доза УФ [Дж/м²] как произведение интенсивности облучения [Вт/м²] и средней продолжительности воздействия, а также УФС-проницаемость сточных вод, обычно задаваемая как пропускание УФ [%/см]. допущение средней интенсивности облучения и средней продолжительности является приближенным, так как фактически в облучаемой зоне течение и интенсивность облучения распространяется неравномерно. Для того чтобы все клетки по возможности получали УФ-облучение одинаково, следует обеспечить пробковое течение как можно ближе к идеальному и производить поперечное перемешивание.

Кроме того, значение имеет содержание твердых веществ в сточных водах (концентрация взвешенных веществ, тип и размер частиц твердых веществ). Для бактерий - индикаторов фекального загрязнения (кишечные палочки, кишечные энтерококки), а также для колифагов достигаются показатели уничтожения от четырех до пяти десятичных порядков.

Установки УФ-облучения сегодня применяются преимущественно в конструкциях с открытыми каналами с безнапорным течением.

В этих сооружениях УФ-излучатели расположены в прямоугольном проточном русле параллельно направлению течения через регулярные промежутки, а защищенные трубчатыми оболочками из кварцевого стекла УФ-излучатели смонтированы в узких продолговатых рамных каркасах. В рамном каркасе друг над другом расположены несколько УФ-излучателей, и рамные каркасы располагаются рядом друг с другом в таком количестве, что все сечение потока заполнено УФ-излучателями через равные промежутки. В одном желобе могут быть расположены друг за другом до трех таких полей излучения. Чтобы верхние УФ-излучатели не находились ни в сухой зоне, ни слишком глубоко под водой, наиболее целесообразно удерживать высоту уровня в облучаемом русле независимо от объемного расхода стока при помощи клапанного затвора в нижнем течении. Нагруженные в противовес клапанные затворы в нижнем течении работают автоматически, регулируются надежно, быстро и без подпора, обеспечивают равномерный сток по сечению русла, а недостаток в виде потерь гидравлической высоты можно компенсировать спусками.

Мембранная фильтрация

Микро-/ультрафильтрация дает возможность эффективно задерживать бактерии и твердые вещества. Благодаря адсорбционному связыванию вирусов твердыми веществами можно также достичь снижения количества вирусов.

По этой причине при подготовке питьевой воды для обеззараживания применяется только ультрафильтрация.

При обработке сточных вод в промышленных сооружениях также внедрена дополнительная ультрафильтрация, с помощью которой можно достичь надежной дезинфекции[310].

Ультрафильтрация обычно следует после биологической ступени очистки; этот вариант мембранного метода не подходит для применения в качестве бранно-биологической технологии.

Применении ультрафильтрации экономически приемлемо только тогда, когда наряду с целевой установкой «дезинфекция сточных вод» на переднем плане находятся такие задачи, как «подготовка технологической / охлаждающей воды» или «максимально эффективное удаление фосфора». Кроме того, решающее значение в пользу ультрафильтрации могут иметь требования по подготовке питьевой воды.

Размещено на Allbest.ru

...