Учебный материал

Источниками воды для системы хозяйственного питьевого водоснабжения могут быть поверхностные водные объекты (реки, озёра, водохранилища) и запасы подземных вод (грунтовые, межпластовые напорные и безнапорные грунтовые воды), характеризующиеся непостоянным режимом, который целиком зависит от гидрометеорологических факторов — частоты выпадания и обилия осадков. Вследствие этого имеются значительные колебания по сезонам уровня стояния, дебита, химического и бактериального состава грунтовых вод. Химический состав подземных вод формируется под воздействием химического (выщелачивание, сорбция, ионный обмен, образование осадка) и физико-химического (перенос фильтрующих пород, смещение, поглощение и выделение газов) процессов. В подземных водах найдено около 70 химических элементов. Наибольшее значение для хозяйственно-питьевого водоснабжения имеют фтор, железо, соли жёсткости — сульфаты, карбонаты и бикарбонаты магния и кальция. Характерной особенностью межпластовых вод является отсутствие в них растворённого в воде кислорода.

Постоянство солевого состава воды — важнейший признак санитарной надёжности водоносного горизонта.

Общими свойствами поверхностных водоисточников являются:

1. низкая минерализация;

2. большое количество взвешенных частиц;

3. высокий уровень микробного загрязнения;

4. колебания расхода воды в зависимости от времени года и метеорологических условий;

5. чрезмерное развитие микроскопических водорослей (т. ч. цветение, ухудшающее органолептические свойства воды и придающее ей аллергическое действие);

6. интенсивное техногенное загрязнение в результате сброса промышленных и сельскохозяйственных сточных вод.

Таким образом, вода открытых водоисточников в 100 % случаев нуждается в улучшении качества. Вода подземных источников, особенно грунтовая, часто также не соответствует предъявляемым требованиям.

Для обеспечения населения водой применяется два вида водоснабжения — местное (децентрализованное) и централизованное. Их основное отличие — способ водоразбора. При местном водоснабжении вода разбирается непосредственно из водоисточника (колодца). При централизованном водоснабжении (водопровод) воду забирают из водоисточников механическим путём и по сети труб доставляют под давлением к месту потребления.

Централизованное водоснабжение, качество воды в котором регламентируется ГОСТом, преобладает в городах и городских посёлках. В сельской местности наиболее распространено децентрализованное водоснабжение с использованием неглубоких индивидуальных колодцев. Качество воды в них регламентируется санитарными нормами.

Требования к качеству воды можно разделить на три группы:

1. безопасность в эпидемическом отношении;

2. безвредность по химическому составу;

3. благоприятные органолептические свойства.

При оценке органолептических свойств воды определяют прозрачность, цветность, вкус, запах — показатели, которые в первую очередь могут настораживать потребителя.

Оценивая химический состав воды, надо помнить, что некоторые показатели являются природными (жёсткость, фтор, железо, йод), некоторые появляются или в результате загрязнений (сточные воды), или от избыточного применения средств улучшения качества воды (коагулянты, флокулянты).

Особое место занимает группа показателей, являющихся косвенным признаком фекального загрязнения воды, — определённых нестойких органических веществ в воде и продуктов их распада — солей аммония, нитритов и нитратов.

Следует учесть, что относительно невысокие концентрации, в которых эти соединения находятся в воде, сами по себе особого вреда для человека не представляют, но указывают на загрязнение воды органическими веществами животного (иногда растительного) происхождения. В эту группу можно отнести определение солей сернокислых и фосфорнокислых, а также хлоридов, которые служат характерным признаком загрязнения воды мочой и фекалиями.

То есть, оценка качества воды по химическому составу важна с одной стороны, как возможный источник различных заболеваний, вызванных высоким содержанием тех или иных химических элементов (йод, фтор, алюминий, хлорорганические углеводороды, хлориды, сульфаты, бор, бром, азот- и хлорсодержащие соединения), с другой стороны, как показатели загрязнения воды экскрементами человека и животных. Инфекционные заболевания, вызываемые поступившими при этом в воду патогенными бактериями, вирусами и простейшими или паразитарными агентами, представляет собой наиболее типичный и распространённый фактор риска для здоровья, связанный с питьевой водой. Инфекционная заболеваемость, связанная с водоснабжением, достигает 500 млн случаев в год. Учитывая этот фактор, можно сделать вывод о том, что вода, предназначенная для питья, приготовления пищи или для личной гигиены не должна содержать организмы, патогенные для людей.

Получение воды, не содержащей патогенных агентов, обеспечивается:

1. выбором незагрязнённых водоисточников;

2. эффективной очисткой и обеззараживанием воды (в случае её загрязнения фекалиями людей и животных);

3. гарантией того, что подготовленная вода не будет загрязнена в распределительной сети при подаче потребителю.

В качестве бактерии-индикатора фекального загрязнения взята эшерихия коли, которая в большей мере удовлетворяет следующим требованиям:

1. присутствует в больших количествах в фекалиях людей и теплокровных животных;

2. быстро обнаруживается с помощью простых методов;

3. не развивается в природной воде;

4. её персистентность в воде и степень удаления при очистке воды аналогичны таким же показателям для патогенов водного происхождения.

Однако, так как энтеровирусы и покоящиеся стадии криптоспоридиум, джардио, амёб и других паразитарных организмов обладают большей устойчивостью по сравнению с бактериями, то отсутствие кишечной палочки не обязательно указывает на отсутствие перечисленных возбудителей.

Таким образом, проблема качества питьевой воды имеет особую актуальность и значимость для жизнеобеспечения и охраны здоровья населения. Загрязнённая вода — причина массовых заболеваний, повышенной смертности, особенно детской, вызывающая рост социальной напряжённости. Результатом изысканий с целью гарантированного обеспечения безопасности и безвредности питьевой воды стал, в частности, выпуск нового издания «Руководство ВОЗ по контролю качества питьевой воды» с существенно расширенным и скорректированным перечнем нормируемых показателей и подготовка Директивы Европейского сообщества по вопросам качества воды, предназначенной для питьевых нужд, с регламентацией широкого круга нормативов, организованных форм и методов контроля. Для достижения установленных норм вода нуждается в очистке.

Очистка включает в себя следующие процессы:

• хранение;

• осаждение или удаление механических примесей, предварительная фильтрация;

• последующая фильтрация;

• обеззараживание.

Хранение — во время накопления воды в озёрах или водохранилищах микробиологическое качество воды существенно улучшается в результате отстаивания, бактерицидного действия УФ-излучения в поверхностных слоях, истощения питательных веществ для бактерий и деятельности конкурентных антагонистических организмов. При этом снижение содержания бактерий-индикаторов фекального загрязнения, сальмонелл и энтеровирусов составляет около 90 %, являясь наибольшим в летнее время с периодом сохранения в воде около 3–4 недель.

Если вода не проходила названные нормы хранения, производится предварительное обеззараживание. Это уничтожает живые биологические формы и снижает количество фекальных бактерий и патогенных штаммов бактерий, способствуя, кроме того, удалению водорослей во время коагуляции и фильтрации. Недостаток обеззараживания заключается в том, что когда хлор используется в большом количестве, могут образовываться хлорсодержащие органические соединения и биологически разлагаемый органический углерод.

• Осаждение или удаление механических примесей.

Фильтрование через мелкопористые фильтры со средним диаметром отверстий 30 мкм является эффективным способом удаления большого количества микроводорослей и зоопланктона, которые могут забивать фильтры или даже проникать через них. Этот процесс оказывает малое влияние на уменьшение количества фекальных бактерий и кишечных патогенов, прежде всего, из-за меньших размеров бактерий по сравнению со стандартной величиной пор фильтров.

• Коагуляция, флоккуляция и осаждение.

Коагуляция — процесс укрупнения, агрегации коллоидных и диспергированных примесей воды, происходящий вследствие их взаимного слипания под действием сил молекулярного происхождения. Коагуляция завершается образованием видимых невооружённым глазом агрегатов — хлопьев — крупных коацерватов. Образующиеся хлопья подвергаются осаждению, поглощая и захватывая природные окрашенные вещества, минеральные частицы и вызывая значительное снижение мутности и содержания простейших бактерий и вирусов. Для ускорения процесса коагуляции применяют, так называемые флоккулянты — высокомолекулярные синтетические соединения анионового и катионового типа.

Цель осаждения — сделать возможным оседание образующихся коацерватов и тем самым снизить концентрацию взвешенных твёрдых веществ, которые должны удаляться фильтрами. Быстрая и медленная фильтрация при правильной загрузке обеспечивает наибольшее улучшение качества воды при любом обычном способе очистки воды. Бактерии удаляются на 98–99 % и более. Содержание Е.coli снижается в 1000 раз, а удаление вирусов ещё больше. Медленная фильтрация через песок также очень эффективна при удалении паразитов (гельминтов и простейших).

Необходимо отметить, что при фильтрации происходит сорбция бактерий и вирусов на поверхности взвешенных частиц и хлопьев и совместное осаждение в отстойнике или порах фильтрующей загрузки. Часть бактерий и вирусов, оставаясь в воде свободными, проникает через очистные сооружения и содержится в фильтрованной воде.

Для создания надёжного и управляемого последнего барьера на пути возможной передачи через воду бактериальных и вирусных болезней применяется её обеззараживание. Для этого широко используются реагентные (хлорирование и озонирование) и безреагентные (УФ-излучения, воздействие гамма-лучами и другие методы).

Во многих странах для обеззараживания широко используется хлорирование. Обеззараживающий эффект оказывает гипохлоридный ион OCl ^– и недиссоциированная хлорноватистая кислота.

Процесс обеззараживания воды проходит в 2 стадии:

• обеззараживающий агент диффундирует внутрь бактериальной клетки;

• вступает в реакцию с энзимами клетки.

Скорость процесса зависит от кинетики диффузии обеззараживающего агента внутрь клетки и кинетики отмирания клетки в результате их метаболизма. Поэтому скорость обеззараживания возрастает:

• с увеличением концентрации обеззараживающего вещества в воде;

• повышением её температуры;

• с переходом обеззараживающего агента в недиссоциируемую форму, поскольку диффузия молекул через мембрану клетки происходит быстрее, чем гидратированных ионов, образующихся при диссоциации.

Эффективность обеззараживания снижается при наличии в воде органических веществ, способных к реакциям окисления-восстановления и других возможных восстановителей, а также коллоидных и взвешенных веществ, обволакивающих бактерии и мешающих контакту с ними обеззараживающего агента.

Интегральным показателем свойств воды, мешающих обеззараживанию, является хлорпоглощаемость, измеряемая количеством хлора, необходимого для окисления имеющихся в воде восстановителей. Она прямо пропорциональна дозе хлора и времени контакта.

На эффективность хлорирования оказывает влияние ряд факторов:

• биологические особенности микроорганизмов;

• бактерицидные свойства препаратов хлора;

• состояние водной среды;

• условия, в которых происходит обеззараживание.

Оптимальная доза активного хлора составляется из его количества, необходимого для удовлетворения хлорпоглощаемости воды, оказания бактерицидного действия и некоторого количества, так называемого, остаточного хлора, присутствующего в обеззараженной воде и свидетельствующего о завершении процесса обеззараживания.

Остаточный хлор, наряду с коли-индексом, служит косвенным показателем безопасности воды в эпидемиологическом отношении. Количество остаточного хлора нормируется СанПиН на разном уровне в зависимости от его состояния: для связанного (хлораминного) хлора — 0,8–1,2 мг/л. Для свободного (хлорноватистая или хлорная кислота — гипохлоридный ион) — 0,3– 0,5 мг/л. В указанном диапазоне концентраций остаточный хлор не изменяет органолептические свойства и в то же время может быть точно определён аналитическими методами. Содержание остаточного хлора нормируется в воде на выходе с водопроводной станции, после резервуаров чистой воды. Хлорированию, как методу обеззараживания воды, присущи некоторые недостатки:

• необходимость соблюдения многочисленных требований по технике безопасности;

• продолжительное время контакта для достижения обеззараживающего эффекта;

• образование в воде хлорорганических соединений, небезразличных для организма.

Однако уровень содержания побочных продуктов обеззараживания может быть снижен за счёт оптимизации технологии очистки. Удаление органических веществ перед обеззараживанием снижает вероятность образования потенциально опасных побочных продуктов, таких, как: хлорат, хлорит, хлорфенолы, тригалометаны (бромоформ, дибромхлорметан, хлороформ).

Одним из перспективных методов обеззараживания является озонирование. Преимущество озона перед хлором при обеззараживании воды состоит в том, что озон не образует в воде соединений, подобных хлорорганическим, улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает бактерицидный эффект при меньшем времени контакта (до 10 мин). Озон более эффективен по отношению к патогенным простейшим, присутствующим в воде (лямблии, дизентерийная амёба). Однако широкое внедрение озонирования в практику обработки воды сдерживается высокой энергоёмкостью процесса получения озона.