Підвищення бар’єрної функції водопровідних споруд – одна із актуальних задач гігієнічної науки та технології очищення води

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПІДВИЩЕННЯ БАР'ЄРНОЇ ФУНКЦІЇ ВОДОПРОВІДНИХ СПОРУД - ОДНА ІЗ АКТУАЛЬНИХ ЗАДАЧ ГІГІЄНІЧНОЇ НАУКИ ТА ТЕХНОЛОГІЇ ОЧИЩЕННЯ ВОДИ

Туровська Г.І., к.т.н., доцент (Національний університет водного господарства та природокористування, м. Рівне)

Розглядається економічно вигідний метод підвищення бар'єрної функції водопровідних споруд по відношенню до мікроорганізмів. Наведено результати досліджень та переваги запропонованої технології водоочищення.

The economic method of increase of barrier function of water constructions in relation to microorganisms is considered. Results of researches and advantages of the offered technology of water purification are resulted.

Вода - це один з найбільш важливіших природних компонентів великого біологічного колообігу. В організмі людини вона відіграє надзвичайно велику роль. Хоча не має енергетичної цінності і не може рахуватися поживною речовиною, але без неї неможливі процеси життєдіяльності та саме життя людини.

З однієї сторони, вода є фізіологічно і гігієнічно необхідним елементом. Але існує інша сторона. Питна вода може відігравати провідну роль у розповсюдженні багатьох бактеріальних та вірусних інфекцій. Це пов'язано з різким погіршенням стану джерел питного водопостачання за рахунок мікробного, хімічного та радіонуклідного забруднення. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я біля 80% інфекційних захворювань у світі пов'язано з незадовільним станом питної води.

Таким чином, безпечності питної води належить важливе місце. Актуальність цього положення констатована і на міжнародному рівні, тому що задача „забезпечення безпечності питної води та засобами санітарії” віднесена Всесвітньою організацією охорони здоров'я до важливих шести проблем, котрі потребують негайного рішення в найближчі 10 років в рамках Міжнародного десятиліття дій Організації Об'єднаних Націй та проекту „Вода та життя” (2005-2015 р.р.) [1].

Згідно діючим стандартам, питна вода повинна бути безпечна в епідеміологічному і радіаційному відношенні, нешкідлива за хімічним складом і мати сприятливі органолептичні властивості. При цьому вміст домішок у воді, а також мікробіологічні показники не повинні перевищувати встановлені нормативними документами стандарти. Це є дуже важливим. Адже постійне споживання недоброякісної води вкорочує життя людини на 5-10 років та сприяє розвитку багатьох тяжких хронічних захворювань.

Пряма залежність ефективності водопідготовки від рівня забруднення джерел водопостачання потребує удосконалення технології процесів знезаражування та очищення води для питних цілей. Актуальність цього питання обумовлена, перш за все, високим рівнем захворюваності в Україні вірусним гепатитом А, водний шлях передавання якого є пусковим механізмом епідемічного процесу. Захворюваність населення інфекційним гепатитом тим більша, чим більша залишкова каламутність питної води, що подається [2]. Це є свідченням того, що хвороботворні збудники сполучаються з домішками, котрі обумовлюють каламутність води, і при більш ефективному проясненні можна покращити її мікробний склад. Тому розробка економічно вигідних методів та способів підвищення бар'єрної функції водопровідних споруд по відношенню до мікроорганізмів є найбільш актуальною задачею гігієнічної науки та технології очищення води.

В Україні на протязі найближчих років неймовірно тяжко розробити та впровадити фізико-хімічну технологію підвищення якості питної води [3, 4]. Це пов'язано з економічними, енергетичними, технологічними, ресурсними та іншими обмеженнями. А традиційна, широко поширена технологія очищення річкової води, яка включає коагулювання, відстоювання, фільтрування та хлорування, недостатньо ефективна. Вона не є надійним бар'єром і не запобігає попаданню в питну воду багатьох домішок хімічної та біологічної природи. Сучасні економічно раціональні способи вилучення мікроорганізмів з води також недостатньо ефективні і не задовольняють гігієнічну науку, санітарну практику та зростаючі потреби галузей господарювання. Це обумовлено, по-перше, високою стійкістю багатьох вірусів, бактерій та інших мікроорганізмів до впливу несприятливих умов зовнішнього середовища та до дій на них фізичних, хімічних і біологічних чинників [5, 6]. По-друге, захисним впливом домішок води різної природи та дисперсності на мікроорганізми при обробленні її дезінфектантами [7, 8]. Результатом є проникнення мікроорганізмів з очищеною водою в магістральні води та розподільну мережу, погіршення її органолептичних та санітарно-мікробіологічних показників, небезпека виникнення інфекційних захворювань [9]. Відображенням істотної ролі водного чинника в розповсюдженні інфекційних захворювань серед населення та недостатньої ефективності способів очищення води та її знезаражування є водні епідемії, що спостерігаються в багатьох країнах світу [10]. Дана проблема є важливою і для нашої країни. Актуальність цієї проблеми зростає в зв'язку із збільшенням біологічного забруднення відкритих водойм.

Відсутність надійних методів специфічної профілактики багатьох вірусних та бактеріальних інфекцій, які передаються водним шляхом, покладає на гігієну води та водопостачання, санітарну охорону водойм та технології очищення води необхідність розробки неспецифічних гігієнічних заходів. Такими можуть бути високоефективні, економічно вигідні методи очищення природної води від мікроорганізмів.

До перспективних методів інтенсифікації процесів очищення поверхневих вод без значних капітальних затрат відноситься метод іммобілізованих організмів на волокнистих носіях. Основними перевагами цього методу в порівнянні з фізико-хімічними методами є, перш за все, екологічна чистота, а також зменшення витрат електроенергії, значне скорочення числа обслуговуючого персоналу та простота обслуговування. Цей метод характеризується універсальністю та високою ефективністю по відношенню до різних видів забруднень. Одночасно з процесом біологічного окислення протікають процеси біосорбції. Це дає можливість зменшити вміст не тільки органічних забруднень, але й завислих речовин, іонів важких металів, а також амонійних забруднень, нітритів та нітратів. Біологічний метод очищення води не призводить до неприємних наслідків, які мають місце при обробці води підвищеними дозами хлору [11]. Саме за рахунок іммобілізації мікроорганізмів на носію можливо в десятки разів збільшити їх біомасу в тому ж об'ємі споруди, що є економічно ефективним та перспективним для очищення води.

За останні два десятиліття в очищенні води за допомогою мікроорганізмів зроблений значний якісний стрибок, котрий можна охарактеризувати як нове народження ефективного способу боротьби із забрудненням навколишнього середовища. Подоланий шлях від постулювання неможливості руйнування багатьох речовин за допомогою мікроорганізмів [12] до експериментального доведення мікробної трансформації та деструкції різних сполук, утворених людиною [13-15]. В теорії це означає, що мікробіологічно можливо очистити будь-яку забруднену органічними сполуками воду. А перед практикою вже відкриваються захоплюючі можливості на основі творчого запозичення та цілеспрямованого освоєння досвіду суміжних областей сучасної біотехнології, що швидко розвиваються. Це дає можливість розробити нові комбіновані високоефективні конструкції водоочисних споруд, використання яких істотно зменшить капітальні, енергетичні та експлуатаційні витрати, а саме головне - істотно покращить якість очищення води. І такою конструкцією є нова конструкція біопрояснювального фільтра для очищення малокаламутних кольорових вод, розроблена на кафедрі водопостачання та бурової справи НУВГП під керівництвом д.т.н., професора В.О. Орлова.

Оцінка сучасного науково-технічного рівня в галузі очищення поверхневої води на прояснювальних фільтрах та використання природних біоценозів, іммобілізованих на інертних носіях, підтверджує доцільність створення та дослідження водоочисних біопрояснювальних фільтрів. Принципова схема біопрояснювального фільтра, на який виданий патент України № 44623А [16], показана на рисунку.

Рис. Фільтр для очищення малокаламутних кольорових вод

Фільтр для очищення води містить корпус 1, фільтруюче завантаження 7, дренажну систему 11. В надфільтровому просторі 2 на утримуючій решітці 5 закріплений біопоглинач 6. Зверху над фільтром знаходиться розбризкуючий пристрій.

Як носій прикріпленого природного біоценозу запропонована насадка із капронових текстурованих джгутових ниток (КТДН) діаметром 2…3 мм із щільністю упаковки від 10000 до 160000 шт./м2 та площею контактної поверхні 62,8…1004,8 м2/м2. Саме завдяки значній контактній поверхні та високим адгезійним властивостям КТДН є більш активними сорбентами в порівнянні із зернистими мінеральними матеріалами. В якості фільтруючого завантаження 7 фільтра використовується кварцовий пісок з розмірами фракцій 0,5…1,0 мм. Висота фільтруючого шару 7 приймається в межах 0,7…1,0 м.

Фільтр для очищення малокаламутних кольорових вод працює наступним чином.

Вихідна вода по трубопроводу 3 через розбризкуючий пристрій 4 подається у верхню зону біопоглинача 6. Під час зливання води у фільтр з висоти 0,5...0,6 м відбувається її спрощена аерація та насичення киснем. Збагачена киснем повітря вода рухається вздовж волокон біопоглинача 6. Завдяки розвинутій поверхні волокон, розвитку бактерії та силі біопоглинання із води вилучається значна кількість колоїдних, завислих та органічних речовин, а також знижується кольоровість води.

Під дією сили тяжіння вода проходить через фільтруючий шар 7, який лежить на підтримуючих шарах гравію 8. Профільтрована чиста вода збирається дренажною системою 11 і по трубопроводу 9 відводиться до споживача.

В міру забруднення біопоглинача 6 або зернистого завантаження 7 фільтр промивається. Зернисте завантаження 7 промивається зворотнім потоком промивної води, яка подається по трубопроводу 10. Проходячи крізь піщане завантаження фільтра потік води вимиває із нього забруднення, а також частину мікроорганізмів, що поселилися у засипці. Біопоглинач 6 промивається вихідною водою при зниженні рівня перед промивкою піщаного завантаження 7. Забруднена промивна вода відводиться по трубопроводу 12.

Аналіз експериментальних даних показав, що перебування насадки біопоглинача в умовах безперервного культивування призводить до утворення на поверхні носія слизової бактеріальної плівки, так званого чохла, що містить різні види мікроорганізмів, як деструкторів, так і супутніх бактерій, і служить у фільтрувальній установці біоплівкою піщаного фільтра. Сформовані у період експозиції біоценози обростань поглинали з води розчинні в ній речовини і служили субстратом для прикріплення бактерій та інших організмів. В процесі досліджень було помічено, що в середовищі багатому поживними речовинами, переважав суспендований ріст. Проте в умовах лімітації за джерелами живлення відбулася колонізація мікроорганізмів поверхні розподілу тверде тіло-рідина. Але для створення сприятливих умов проходження біохімічних процесів, що відбуваються при очищення води в аеробних умовах, окрім притоку свіжого поживного середовища, вилучення продуктів обміну, що утворюються, та надлишку біомаси, потрібна ще і достатня концентрація кисню. Тому була передбачена спрощена аерація, що забезпечувала збільшення концентрації розчиненого кисню в 1,7…2 рази.

Завдяки закріпленню мікроорганізмів на нерозчинному у воді носію та присутності в біоценозі бактерій різної деструктивної активності й чутливості забезпечувалося стабільне очищення води при суттєвих змінах складу забруднень у ній. Закріплені мікроорганізми здійснювали самі різноманітні мікробіологічні трансформації органічних речовин.

Ефект очищення води по зниженню органічних речовин після біопоглинача знаходився в межах від 32,85 % до 50,12 %, що свідчило про достатньо високий рівень вилучення органічних речовин. Доречно було б зазначити, що приблизно такий же ступінь зниження органічних забруднень вдається досягти при використанні коагуляційної обробки води. При фільтруванні води через насадку було відмічено, що різко знижувався і кількісний вміст бактерій. Бактеріальні показники якості води в залежності від щільності насадки біопоглинача наведено в [17].

В результаті досліджень було встановлено, що при вилученні із води поживного субстрату погіршувалися умови для розвитку мікроорганізмів, ріст їх зосереджувався на волокнах у рідкій фазі, тобто знижувалася біогенність води. Саме такий спосіб вилучення клітин бактерій з води має великі переваги в порівнянні із хімічними методами стерилізації води (хлорування). Про це свідчить той факт, що при хлоруванні води лишаються фіксовані тіла бактерій завислими у воді, розмноження яких може викликати новий спалах розвитку стійких до хлору мікроорганізмів за рахунок продуктів розпаду органічних речовин відмерлих клітин.

В процесі досліджень було виявлено, що біоценози обростань накопичують на своїй поверхні не тільки завислі речовини, біогенні елементи, знижують біогенність води. В зоні носія була виявлена значна кількість іонів багатовалентних металів. Концентрація металів обростання, що утворилося при експозиції насадки в річковій воді (141,4 г волокна з обростанням), була наступною: Са (ІІ) - 188,7мг/г, Fe (ІІІ) - 35,4 мг/г, Al(ІІІ) - 17 мг/г, Mn(ІІ) - 11,5 мг/г. Це дає можливість зробити наступний висновок про те, що в зоні носія є значна кількість іонів багатовалентних металів з високим адгезійно-коагулюючим потенціалом.

Отже, результатами досліджень підтверджена ефективність очищення поверхневої води на біопрояснювальному фільтрі у всі періоди року після “дозрівання” активного обростання на носію, яке здатне вилучати, трансформувати та знезаражувати забруднення поверхневої води.

Попереднє очищення проаерованої води на біопоглиначі, а потім в зернистому завантаженні запобігає проникненню відмерлої біоплівки в очищену воду та забезпечує доочищення поверхневої води.

Експериментальними дослідженнями на реальній річковій воді доведена можливість використання біопрояснювальних фільтрів в практиці водопостачання для безреагентного знебарвлення та прояснення води як для питних, так і технічних цілей. водопровідний фільтр очищення вода

Застосування запропонованої технології очищення малокаламутних кольорових вод, на відміну від традиційної, значно підвищить ефективність та надійність водоочищення поверхневих вод зі значним економічним ефектом.

Література

1. Международное десятилетие действий 2005-2015 гг. "Вода для жизни"/ Пресс-релиз ЕРБ ВОЗ/05/05 - Копенгаген, Рим, 21 марта 2005 г.

2. Hudson H.E. High-quality water produktion and viral diseases. - J. Amer. Water Works Assoc., 1982, 54 № 10, p. 1265-1272.

3. Wahlroos G. The realisation of actiwated-carbon filtration in a water purification process for highiu humic water by prior two-atage iron (III) salt coagulation // Aqua. - 1991. - Vol. 40, № 4. - P. 211 - 216.

4. Научные и прикладные аспекты подготовки питьевой воды / В.В. Гончарук, В.В. Подлеснюк, Л.Е. Фридман, И.Г. Рода // Химия и технология воды. - 1992. - Т.14, № 7. - С. 506-525.

5. Ротмистров М.Н., Глоба Л.И. Устойчивость вирусов к различным воздействиям и эффективность методов обеззараживания инфицированной вирусами воды. - В кн.: Использование адгезионных и адсорбционных процессов для удаления из воды взвесей и микроорганизмов. - Киев: Наук. думка, 1973, с. 74-86.

6. Жизнь микробов в экстремальных условиях / Под. р ед. Д. Кашнера. Пер. с англ. - М.: Мир, 1981. - 520 с.

7. Standd C.H., Wallis C., Ward C.H. Inactivation of clayassociated bacteriophage M S2 by chlorine. - Appl. Environ. Microbiol., 1977, 33, № 2, p. 385-391.

8. Основы санитарной вирусологии / Г.Ф. Багдасарьян, В.В. Влодавец, Р.А. Дмитриева, Е.Л. Ловцевич. - М.: Медицина, 1977. - 200 с.

9. Рекомендации по технологии хлорирования для устранения биологических факторов ухудшения качества воды в протяженных водопроводах \ В.А. Рябченко, Л.И. Коробейников, А.М. Скидальская и др. - М.: АКХ им. К.Д. Памфилова, 1982. - 20 с.

10. Ковалев Г.К. Микробиологические аспекты потенциальной опасности воды // Гигиена и санитария. - 1982. - № 9. - С. 67-71.

11. Hyde R.A., Rodman D.J., Fech B.J. Monitoring techniques for the organic quality of water // J. Inst. water Eng. and Sci. - 1984. - Vol. 38, № 11. - P. 25-38.

12. Alexander M. Nonbiodegradable and other recalcifrant molecus// Biotechnol. Bioengin. - 1973. - Vol. 15, №4 . - Р. 611-647.

13. Скрябин Г.К., Головлева Л.А. Использование микроорганизмов в органическом синтезе. - М: Наука, 1976. - 333 с.

14. Biodegradation of recalcifrant organoch-lorine compounds in fixed film reactors/ M.S. Salkinoja-Salonen, R. Hakulinen, R. Valo, Z. Apajalabi// Water Sci. Technol. - 1983. - Vol.

15. - Р. 309-319. 15. Spain J. C., Nishino Sh. F. Degradation of 1,4 - dichlorbenzene by a Pseudomonas sp.// Appl. and Environ. Microbiol. - 1987. - Vol. 53, №5. - Р. 1010-1019.

16. Пат. 44623 А UA, МПК С02F1/52. Фільтр для очистки води / Г.І. Туровська, В.О. Орлов, В.Ю. Нецький, В.М. Лотюк. Заявлено 15.06.2001; Опубл. 15.02.2002, Бюл. № 2. - 2с. іл.

17. Туровська Г.І. Особливості методу іммобілізованих організмів на волокнистих носіях // Вісник НУВГП. Зб. наук. пр. Вип.2 (38). - Рівне, 2007. - С. 271-276.

Размещено на Allbest.ru