Очистка воды

Эта статья посвящена очистке природных источников воды (в основном). Информацию об очистке сточных вод см. в разделе «Очистка сточных вод» .

Очистка воды — это процесс удаления из воды нежелательных химических веществ, биологических загрязнений, взвешенных твердых частиц и газов . Цель состоит в том, чтобы производить воду, пригодную для конкретных целей. Большая часть воды очищается и дезинфицируется для потребления человеком ( питьевая вода ), но очистка воды также может осуществляться для множества других целей, включая медицинские, фармакологические, химические и промышленные применения. История очистки воды включает в себя большое разнообразие методов. Используемые методы включают физические процессы, такие как фильтрация , осаждение и дистилляция ; биологические процессы, такие как медленные песочные фильтры или биологически активный уголь ; химические процессы, такие как флокуляция и хлорирование ; и использование электромагнитного излучения, такого как ультрафиолетовый свет .

Очистка воды может снизить концентрацию твердых частиц, включая взвешенные частицы , паразитов , бактерий, водорослей , вирусов и грибков, а также снизить концентрацию ряда растворенных веществ и твердых частиц.

Стандарты качества питьевой воды обычно устанавливаются правительствами или международными стандартами. Эти стандарты обычно включают минимальные и максимальные концентрации загрязняющих веществ в зависимости от предполагаемого использования воды.

Визуальный осмотр не может определить, соответствует ли вода надлежащему качеству. Простых процедур, таких как кипячение или использование бытового фильтра с активированным углем , недостаточно для очистки всех возможных загрязнений, которые могут присутствовать в воде из неизвестного источника. Даже природную родниковую воду , считавшуюся в XIX веке безопасной для всех практических целей, теперь необходимо проверять, прежде чем определить, какая обработка необходима, если таковая имеется. Химический и микробиологический анализ , хотя и дорог, но являются единственным способом получить информацию, необходимую для принятия решения о соответствующем методе очистки.

Источники воды

Дополнительная информация: Водоснабжение.

1. Грунтовые воды : вода, выходящая из глубоких грунтовых вод, могла выпасть в виде дождя много десятков, сотен или тысяч лет назад. Слои почвы и горных пород естественным образом фильтруют грунтовые воды до высокой степени прозрачности, и зачастую они не требуют дополнительной обработки, кроме добавления хлора или хлораминов в качестве вторичных дезинфицирующих средств. Такая вода может поступать из родников, артезианских источников или добываться из скважин или колодцев. Глубинные грунтовые воды обычно имеют очень высокое бактериологическое качество (т.е. патогенные бактерии или патогенные простейшие обычно отсутствуют), но вода может быть богата растворенными твердыми веществами, карбонатами и сульфатами кальция особенно и магния . В зависимости от слоев, через которые протекала вода, могут также присутствовать другие ионы, включая хлорид и бикарбонат . Может потребоваться снизить содержание железа или марганца в этой воде, чтобы сделать ее пригодной для питья, приготовления пищи и стирки. первичная дезинфекция Также может потребоваться . Где практикуется пополнение подземных вод (процесс, при котором речная вода закачивается в водоносный горизонт для хранения воды в периоды изобилия, чтобы она была доступна во время засухи), подземные воды могут потребовать дополнительной очистки в зависимости от применимых государственных и федеральных правил.
2. Горные озера и водохранилища : Обычно расположенные в верховьях речных систем, горные водохранилища обычно располагаются над любыми жилыми домами и могут быть окружены защитной зоной, чтобы ограничить возможности загрязнения. Уровни бактерий и патогенов обычно низкие, но некоторые бактерии, простейшие или водоросли могут присутствовать . Там, где возвышенности покрыты лесами или торфяниками, гуминовые кислоты могут окрашивать воду. Многие горные источники имеют низкий уровень pH , что требует корректировки.
3. Реки, каналы и низменные водоемы: Поверхностные воды низин имеют значительную бактериальную нагрузку, а также могут содержать водоросли, взвешенные твердые вещества и различные растворенные компоненты.
4. Производство атмосферной воды — это новая технология, которая может обеспечить питьевую воду высокого качества за счет извлечения воды из воздуха путем охлаждения воздуха и, таким образом, конденсации водяного пара.
5. Сбор дождевой воды или сбор тумана , который собирает воду из атмосферы, можно использовать, особенно в районах со значительными засушливыми сезонами и в районах, где наблюдается туман даже при небольшом количестве дождей.
6. Опреснение путем морской воды дистилляции или обратного осмоса .
7. Поверхностные воды : Пресноводные водоемы, открытые для атмосферы и не отнесенные к грунтовым водам, называются поверхностными водами.

Уход

Типичные процессы очистки питьевой воды

Цели

Целью обработки является удаление нежелательных компонентов из воды и сделать ее безопасной для питья или пригодной для конкретных целей в промышленности или медицине. Доступны самые разнообразные методы удаления таких загрязнений, как мелкие твердые частицы, микроорганизмы и некоторые растворенные неорганические и органические материалы, а также стойкие фармацевтические загрязнители окружающей среды . Выбор метода будет зависеть от качества очищаемой воды, стоимости процесса очистки и ожидаемых стандартов качества обрабатываемой воды.

Описанные ниже процессы обычно используются на водоочистных станциях. Некоторые или большинство из них могут не использоваться в зависимости от масштаба установки и качества сырой (исходной) воды.

Предварительная обработка

1. Перекачка и сдерживание. Большую часть воды необходимо перекачивать из источника или направлять в трубы или накопительные резервуары. Чтобы избежать попадания загрязняющих веществ в воду, эта физическая инфраструктура должна быть изготовлена ​​из соответствующих материалов и сконструирована так, чтобы не происходило случайного загрязнения.
2. Скрининг ( см. также сетчатый фильтр ). Первым этапом очистки поверхностных вод является удаление крупного мусора, такого как палки, листья, мусор и другие крупные частицы, которые могут мешать последующим этапам очистки. Большинство глубоких грунтовых вод не нуждаются в проверке перед другими этапами очистки.
3. Хранение. Воду из рек можно также хранить в прибрежных резервуарах на период от нескольких дней до многих месяцев, чтобы обеспечить естественную биологическую очистку. Это особенно важно, если очистка осуществляется медленными песчаными фильтрами . Резервуары-хранилища также обеспечивают защиту от коротких периодов засухи или позволяют поддерживать запасы воды во время временных инцидентов загрязнения в реке-источнике.
4. Предварительное хлорирование. На многих заводах поступающая вода хлорировалась, чтобы свести к минимуму рост организмов-засорителей на трубопроводах и резервуарах. Из-за потенциальных негативных последствий для качества (см. хлор ниже), от этого в основном отказались.

регулировка pH

Чистая вода имеет pH около 7 (ни щелочная , ни кислая ). Морская вода может иметь значения pH от 7,5 до 8,4 (умеренно щелочная). Пресная вода может иметь широкий диапазон значений pH в зависимости от геологии водосборного бассейна или водоносного горизонта и влияния поступления загрязняющих веществ ( кислотных дождей ). Если вода кислая (ниже 7), известь , кальцинированную соду или гидроксид натрия можно добавить для повышения pH во время процессов очистки воды. Добавление извести увеличивает концентрацию ионов кальция, тем самым повышая жесткость воды. Для сильнокислых вод дегазаторы с принудительной тягой могут быть эффективным способом повышения pH за счет удаления растворенного углекислого газа из воды. Подщелачивание воды помогает эффективно работать процессам коагуляции и флокуляции , а также помогает свести к минимуму риск растворения свинца из свинцовых труб и свинцового припоя в трубопроводной арматуре. Достаточная щелочность также снижает коррозионное воздействие воды на железные трубы. Кислота ( угольная кислота , соляная кислота или серная кислота ) может быть добавлена ​​в щелочную воду в некоторых случаях для снижения pH. Щелочная вода (рН выше 7,0) не обязательно означает, что свинец или медь из водопроводной системы не растворятся в воде. Способность воды осаждать карбонат кальция для защиты металлических поверхностей и снижения вероятности растворения токсичных металлов в воде зависит от pH, содержания минералов, температуры, щелочности и концентрации кальция.

Коагуляция и флокуляция

См. Также: Агрегация частиц.

Станция комплексной очистки воды СКО-10К

Одним из первых этапов большинства традиционных процессов очистки воды является добавление химикатов, способствующих удалению взвешенных в воде частиц. Частицы могут быть неорганическими, например, глина и ил , или органическими, например, водоросли , бактерии, вирусы , простейшие и природные органические вещества . Неорганические и органические частицы способствуют мутности и цвету воды.

Добавление неорганических коагулянтов, таких как сульфат алюминия (или квасцы ) или солей железа (III), таких как хлорид железа (III), вызывает несколько одновременных химических и физических взаимодействий на частицах и между ними. В течение нескольких секунд отрицательные заряды частиц нейтрализуются неорганическими коагулянтами. Также в течение нескольких секунд начинают образовываться осадки гидроксидов металлов и ионов железа и алюминия. Эти осадки объединяются в более крупные частицы в результате естественных процессов, таких как броуновское движение , а также посредством индуцированного перемешивания, которое иногда называют флокуляцией . Аморфные гидроксиды металлов известны как «флоки». Крупные аморфные гидроксиды алюминия и железа (III) адсорбируют и связывают частицы в суспензии и облегчают удаление частиц последующими процессами седиментации и фильтрации .

Гидроксиды алюминия образуются в довольно узком диапазоне pH, обычно от 5,5 до примерно 7,7. Гидроксиды железа (III) могут образовываться в более широком диапазоне pH, включая уровни pH ниже, чем эффективны для квасцов, обычно от 5,0 до 8,5.

В литературе существует много споров и путаницы по поводу использования терминов «коагуляция» и «флокуляция»: где заканчивается коагуляция и начинается флокуляция? На водоочистных станциях обычно используется высокоэнергетический процесс быстрого смешивания (время удерживания в секундах), при котором добавляются химические вещества-коагулянты, а затем используются бассейны флокуляции (время задержания варьируется от 15 до 45 минут), где низкие энергозатраты приводят в движение большие лопасти или другие устройства для бережного перемешивания для улучшения образования хлопьев. Фактически, процессы коагуляции и флокуляции продолжаются после добавления коагулянтов на основе солей металлов.

Органические полимеры были разработаны в 1960-х годах в качестве вспомогательных средств для коагулянтов и, в некоторых случаях, в качестве заменителей коагулянтов на основе неорганических солей металлов. Синтетические органические полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения, несущие отрицательный, положительный или нейтральный заряд. Когда органические полимеры добавляются в воду с частицами, высокомолекулярные соединения адсорбируются на поверхности частиц и посредством межчастичных мостиков сливаются с другими частицами, образуя хлопья. PolyDADMAC — популярный катионный (положительно заряженный) органический полимер, используемый на водоочистных станциях.

Седиментация

Воды, выходящие из бассейна флокуляции, могут попасть в отстойник , также называемый отстойником или отстойником. Это большой резервуар с низкой скоростью воды, позволяющей флоку оседать на дно. Бассейн отстойника лучше всего располагать рядом с бассейном флокуляции, чтобы переход между двумя процессами не приводил к осаждению или разрушению хлопьев. Отстойники могут быть прямоугольными, когда вода течет из конца в конец, или круглыми, когда поток течет от центра наружу. Сток из отстойника обычно осуществляется через плотину, поэтому выходит только тонкий верхний слой воды, наиболее удаленный от ила.

В 1904 году Аллен Хейзен показал, что эффективность процесса седиментации зависит от скорости осаждения частиц, потока через резервуар и площади поверхности резервуара. Отстойники обычно проектируются в диапазоне скоростей перелива от 0,5 до 1,0 галлона в минуту на квадратный фут (или от 1250 до 2500 литров на квадратный метр в час). В целом эффективность отстойника не зависит от времени задержания или глубины бассейна. Однако глубина бассейна должна быть достаточной, чтобы потоки воды не нарушали ил и не способствовали взаимодействию осевших частиц. Поскольку концентрация частиц в отстоявшейся воде увеличивается вблизи поверхности осадка на дне резервуара, скорость осаждения может увеличиваться из-за столкновений и агломерации частиц. Типичное время задержки осадка варьируется от 1,5 до 4 часов, а глубина бассейна варьируется от 10 до 15 футов (от 3 до 4,5 метров).

Пластинчатые отстойники , наклонные плоские пластины или трубки могут быть добавлены к традиционным отстойникам для улучшения эффективности удаления частиц. Наклонные пластины и трубки резко увеличивают площадь поверхности, доступную для удаления частиц, в соответствии с оригинальной теорией Хейзена. Площадь поверхности земли, занимаемая отстойником с наклонными пластинами или трубками, может быть намного меньше, чем у обычного отстойника.

Хранение и удаление осадка

Когда частицы оседают на дно отстойника, слой ила на дне резервуара образуется , который необходимо удалить и обработать. Количество образующегося осадка является значительным, часто от 3 до 5 процентов от общего объема воды, подлежащей очистке. Стоимость обработки и утилизации осадка может повлиять на эксплуатационные расходы водоочистной станции. Отстойник может быть оборудован устройствами механической очистки, постоянно очищающими его дно, либо периодически выводиться из эксплуатации и очищаться вручную.

Флоковые осветлители

Подкатегория седиментации — это удаление частиц путем захвата слоем взвешенных хлопьев, когда вода поднимается вверх. Основным преимуществом хлопьевых осветлителей является то, что они занимают меньшую площадь, чем традиционные седиментационные осветлители. Недостатком является то, что эффективность удаления частиц может сильно варьироваться в зависимости от изменений качества поступающей воды и скорости потока поступающей воды.

Флотация растворенным воздухом

Когда удаляемые частицы не могут легко оседать из раствора, флотация растворенным воздухом часто используется (DAF). После процессов коагуляции и флокуляции вода поступает в резервуары DAF, где воздушные диффузоры на дне резервуара создают мелкие пузырьки, которые прикрепляются к хлопьям, образуя плавающую массу концентрированных хлопьев. Плавающее хлопьевидное покрытие удаляется с поверхности, а осветленная вода забирается со дна резервуара DAF.В источниках воды, которые особенно уязвимы к цветению одноклеточных водорослей, а также в источниках воды с низкой мутностью и яркой окраской, часто используется DAF.

Фильтрация

См. Также: Фильтр для воды.

После отделения большей части хлопьев вода фильтруется на последнем этапе для удаления оставшихся взвешенных частиц и неоседевшихся хлопьев.

Скоростные песочные фильтры

Вид в разрезе типичного быстрого песочного фильтра

Самый распространенный тип фильтра — быстрый песочный фильтр . которым часто имеется слой активированного угля или антрацитового угля Вода движется вертикально через песок, над . Верхний слой удаляет органические соединения, которые влияют на вкус и запах. Пространство между частицами песка больше, чем у мельчайших взвешенных частиц, поэтому простой фильтрации недостаточно. Большинство частиц проходят через поверхностные слои, но задерживаются в порах или прилипают к частицам песка. Эффективная фильтрация распространяется на глубину фильтра. Это свойство фильтра является ключевым в его работе: если бы верхний слой песка заблокировал все частицы, фильтр быстро засорился бы.

Демонстрация обратной промывки левой колонны фильтра

Для очистки фильтра вода быстро пропускается вверх через фильтр, в противоположном нормальному направлению (так называемая обратная промывка или обратная промывка ), чтобы удалить въевшиеся или нежелательные частицы. Перед этим этапом через нижнюю часть фильтра можно продуть сжатый воздух, чтобы разрушить уплотненный фильтрующий материал и облегчить процесс обратной промывки; это известно как очистка воздуха . Эту загрязненную воду можно утилизировать вместе с осадком из отстойника или переработать путем смешивания с сырой водой, поступающей на установку, хотя это часто считается плохой практикой, поскольку повторно вводит повышенную концентрацию бактерий в воду. сырая вода.

На некоторых водоочистных станциях используются напорные фильтры. Они работают по тому же принципу, что и быстрые гравитационные фильтры, отличаясь тем, что фильтрующий материал заключен в стальной резервуар, и вода прогоняется через него под давлением.

Преимущества:

• Отфильтровывает гораздо более мелкие частицы, чем бумажные и песочные фильтры.
• Отфильтровывает практически все частицы, размер пор которых превышает указанный.
• Они довольно тонкие, поэтому жидкость протекает через них довольно быстро.
• Они достаточно прочные и поэтому могут выдерживать перепад давления в них обычно в 2–5 атмосфер.
• Их можно очистить (обратной промывкой) и использовать повторно.

Медленные песочные фильтры

Медленная «искусственная» фильтрация (разновидность береговой фильтрации ) в грунт на водоочистной станции Караны, Чехия.

Профиль слоев гравия, песка и мелкого песка, используемых в установке медленного песочного фильтра.

Медленные песочные фильтры можно использовать там, где достаточно земли и места, поскольку вода проходит через фильтры очень медленно. Действие этих фильтров основано на процессах биологической очистки, а не на физической фильтрации. Они тщательно построены с использованием ступенчатых слоев песка: самый крупный песок и немного гравия внизу и самый мелкий песок вверху. Дренажи в основании отводят очищенную воду для дезинфекции. Фильтрация зависит от развития тонкого биологического слоя, называемого зооглеальным слоем или Шмуцдеке , на поверхности фильтра. Эффективный медленный песочный фильтр может оставаться в эксплуатации в течение многих недель или даже месяцев, если предварительная очистка хорошо спроектирована и производит воду с очень низким уровнем доступных питательных веществ, которого редко достигают физические методы очистки. Очень низкий уровень питательных веществ позволяет безопасно направлять воду через распределительные системы с очень низким уровнем дезинфицирующих средств, тем самым уменьшая раздражение потребителей по поводу агрессивных уровней хлора и побочных продуктов хлора. Песчаные фильтры медленного действия не промываются обратной промывкой; они поддерживаются за счет соскабливания верхнего слоя песка, когда поток в конечном итоге блокируется биологическим ростом.

Банковская фильтрация

При береговой фильтрации естественные отложения на берегу реки используются для обеспечения первой стадии фильтрации загрязнений. Хотя вода, полученная из соответствующих добывающих скважин, обычно недостаточно чистая, чтобы ее можно было использовать непосредственно для питья, она гораздо менее проблематична, чем речная вода, взятая непосредственно из реки.

Мембранная фильтрация

Мембранные фильтры широко используются для фильтрации как питьевой воды, так и сточных вод . Мембранные фильтры питьевой воды способны удалять практически все частицы размером более 0,2 мкм, включая лямблии и криптоспоридии . Мембранные фильтры являются эффективной формой третичной очистки, когда желательно повторно использовать воду для промышленных нужд, для ограниченных бытовых целей или перед сбросом воды в реку, которая используется городами, расположенными ниже по течению. Они широко используются в промышленности, особенно для приготовления напитков (в том числе бутилированной воды ). Однако никакая фильтрация не может удалить вещества, которые фактически растворены в воде, такие как фосфаты , нитраты и тяжелых металлов ионы .

Удаление ионов и других растворенных веществ

для ультрафильтрации В мембранах используются полимерные мембраны с химически образованными микроскопическими порами, которые можно использовать для фильтрации растворенных веществ без использования коагулянтов. Тип мембранной среды определяет, какое давление необходимо для прохождения воды и какие размеры микроорганизмов можно отфильтровать.

Ионный обмен : В ионообменных системах ионообменной смолой или цеолитом для замены нежелательных ионов используются колонки, наполненные . Наиболее распространенным случаем является умягчение воды, заключающееся в удалении Ca. ²⁺ и мг ²⁺ ионы, заменяющие их доброкачественным (дружественным к мылу) Na ⁺ или К ⁺ ионы. Ионообменные смолы также используются для удаления токсичных ионов, таких как нитрит , свинец, ртуть , мышьяк и многих других.

Преципитативное размягчение : Воду, богатую жесткостью ( ионы кальция и магния ), обрабатывают известью ( оксид кальция ) и/или кальцинированной содой ( карбонат натрия ) для осаждения карбоната кальция из раствора с использованием эффекта обычных ионов .

Электродеионизация : Вода проходит между положительным электродом и отрицательным электродом. Ионообменные мембраны позволяют только положительным ионам мигрировать из очищенной воды к отрицательному электроду и только отрицательным ионам к положительному электроду. Деионизированная вода высокой чистоты производится непрерывно, аналогично ионообменной обработке. Полное удаление ионов из воды возможно при соблюдении правильных условий. Вода обычно предварительно очищается с помощью установки обратного осмоса для удаления неионогенных органических загрязнений и газопереносных мембран для удаления углекислого газа . Возврат воды на уровне 99% возможен, если поток концентрата подается на вход обратного осмоса.

Дезинфекция

Насосы, используемые для добавления необходимого количества химикатов в чистую воду на водоочистных станциях перед подачей. Слева направо: гипохлорит натрия для дезинфекции, ортофосфат цинка в качестве ингибитора коррозии, гидроксид натрия для регулирования pH и фторид для предотвращения кариеса.

Дезинфекция осуществляется как путем фильтрации вредных микроорганизмов, так и путем добавления дезинфицирующих химикатов. Вода дезинфицируется для уничтожения любых болезнетворных микроорганизмов , проходящих через фильтры, а также для обеспечения остаточной дозы дезинфицирующего средства для уничтожения или инактивации потенциально вредных микроорганизмов в системах хранения и распределения. Возможные возбудители включают вирусы , бактерии, включая сальмонеллу , холеру , кампилобактерии и шигеллы , а также простейшие , включая лямблии и другие криптоспоридии . После добавления любого химического дезинфицирующего средства вода обычно хранится во временном хранилище – часто называемом контактным резервуаром или чистым колодцем – для завершения дезинфекционного действия.

Дезинфекция хлором

Основная статья: Хлорирование воды

Наиболее распространенный метод дезинфекции включает использование той или иной формы хлора или его соединений, таких как хлорамин или диоксид хлора . Хлор является сильным окислителем , который быстро убивает многие вредные микроорганизмы. Поскольку хлор является токсичным газом, при его использовании существует опасность выбросов. Этой проблемы можно избежать, используя гипохлорит натрия — относительно недорогой раствор, используемый в бытовых отбеливателях, который при растворении в воде выделяет свободный хлор. Растворы хлора можно получить на месте путем электролиза растворов поваренной соли. Твердая форма, гипохлорит кальция , выделяет хлор при контакте с водой. Однако обращение с твердыми веществами требует более обычного контакта с людьми посредством открытия мешков и разлива, чем использование газовых баллонов или отбеливателя, которые легче автоматизировать. Производство жидкого гипохлорита натрия обходится дешевле, а также безопаснее, чем использование газа или твердого хлора. Уровень хлора в питьевой воде до 4 миллиграммов на литр (4 части на миллион) считается безопасным.

Все формы хлора широко используются, несмотря на их соответствующие недостатки. Одним из недостатков является то, что хлор из любого источника вступает в реакцию с природными органическими соединениями в воде, образуя потенциально вредные химические побочные продукты. Эти побочные продукты, тригалометаны (ТГМ) и галогенуксусные кислоты (ГАА), в больших количествах являются канцерогенными и регулируются Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и Инспекцией питьевой воды в Великобритании. Образование ТГМ и галогенуксусных кислот можно свести к минимуму за счет эффективного удаления из воды как можно большего количества органических веществ перед добавлением хлора. Хотя хлор эффективен в уничтожении бактерий, он имеет ограниченную эффективность против патогенных простейших, образующих цисты в воде, таких как Giardia Lamblia и Cryptosporidium .

Дезинфекция диоксидом хлора

Диоксид хлора является более быстрым дезинфицирующим средством, чем элементарный хлор. Он используется относительно редко, поскольку в некоторых случаях он может создавать чрезмерное количество хлорита , который является побочным продуктом, уровень которого в Соединенных Штатах регулируется до низких допустимых уровней. Диоксид хлора можно поставлять в виде водного раствора и добавлять в воду, чтобы избежать проблем с обращением с газом; Скопления газообразного диоксида хлора могут самопроизвольно взорваться.

Хлорирование

Основная статья: Хлорирование

Использование хлорамина становится все более распространенным в качестве дезинфицирующего средства. Хотя хлорамин не является таким сильным окислителем, он обеспечивает более длительный остаточный эффект, чем свободный хлор, из-за его более низкого окислительно-восстановительного потенциала по сравнению со свободным хлором. Он также с трудом образует ТГМ или галогенуксусные кислоты ( побочные продукты дезинфекции ).

Хлор можно превратить в хлорамин, добавив аммиак в воду после добавления хлора. Хлор и аммиак реагируют с образованием хлорамина. В системах водоснабжения, продезинфицированных хлораминами, может возникнуть нитрификация , поскольку аммиак является питательным веществом для роста бактерий, а нитраты образуются в качестве побочного продукта.

Озоновая дезинфекция

Озон — нестабильная молекула, которая легко отдает один атом кислорода, образуя мощный окислитель, токсичный для большинства переносимых водой организмов. Это очень сильное дезинфицирующее средство широкого спектра действия, которое широко используется в Европе и в некоторых муниципалитетах США и Канады. Озоновая дезинфекция, или озонирование, — эффективный метод инактивации вредных простейших, образующих цисты. Он также хорошо действует против почти всех других патогенов. Озон получается путем пропускания кислорода через ультрафиолетовый свет или «холодный» электрический разряд. Чтобы использовать озон в качестве дезинфицирующего средства, его необходимо создать на месте и добавить в воду путем контакта с пузырьками. Некоторые из преимуществ озона включают производство меньшего количества опасных побочных продуктов и отсутствие проблем со вкусом и запахом (по сравнению с хлорированием ). В воде не остается остаточного озона. При отсутствии остаточного дезинфицирующего средства в воде в распределительную систему можно добавлять хлор или хлорамин для удаления любых потенциальных болезнетворных микроорганизмов в распределительных трубопроводах.

Озон используется на предприятиях по производству питьевой воды с 1906 года, когда в Ницце , Франция, была построена первая промышленная установка по озонированию. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США признало озон безопасным; и он применяется в качестве антимикробного средства для обработки, хранения и обработки пищевых продуктов. Однако, хотя при озонировании образуется меньше побочных продуктов, было обнаружено, что озон реагирует с ионами бромида в воде, образуя концентрации предполагаемого канцерогенного бромата . Бромид можно обнаружить в источниках пресной воды в концентрациях, достаточных для образования (после озонирования) более 10 частей на миллиард (частей на миллиард) бромата — максимального уровня загрязнения, установленного USEPA. Озоновая дезинфекция также является энергоемкой.

Ультрафиолетовая дезинфекция

Модель установки УФ-обеззараживания в разрезе, используемой на водоочистных станциях.

Основная статья: Ультрафиолетовое бактерицидное облучение

Ультрафиолетовый свет (УФ) очень эффективен для инактивации цист в воде с низкой мутностью. Эффективность дезинфекции ультрафиолетовым светом снижается по мере увеличения мутности в результате поглощения , рассеяния и затенения, вызванных взвешенными твердыми веществами. Основным недостатком использования УФ-излучения является то, что, как и обработка озоном, оно не оставляет в воде остаточных дезинфицирующих средств; поэтому иногда необходимо добавить остаточное дезинфицирующее средство после процесса первичной дезинфекции. Это часто делается путем добавления хлораминов, обсуждавшихся выше в качестве основного дезинфицирующего средства. При таком использовании хлорамины обеспечивают эффективное остаточное дезинфицирующее средство с очень небольшим количеством негативных эффектов хлорирования.

Более 2 миллионов человек в 28 развивающихся странах используют солнечную дезинфекцию для ежедневной очистки питьевой воды.

Ионизирующее излучение

Как и УФ, ионизирующее излучение (рентгеновские лучи, гамма-лучи и электронные лучи) используется для стерилизации воды.

Бромирование и йодирование

Бром и йод также можно использовать в качестве дезинфицирующих средств. Однако хлор в воде более чем в три раза более эффективен в качестве дезинфицирующего средства против Escherichia coli , чем эквивалентная концентрация брома , и более чем в шесть раз более эффективен, чем эквивалентная концентрация йода . Йод обычно используется для очистки портативной воды , а бром широко используется в качестве дезинфицирующего средства для плавательных бассейнов .

Портативная очистка воды

Основная статья: Портативная очистка воды

Портативные устройства и методы очистки воды доступны для дезинфекции и очистки в чрезвычайных ситуациях или в отдаленных местах. Дезинфекция является основной целью, поскольку эстетические соображения, такие как вкус, запах, внешний вид и следы химического загрязнения, не влияют на краткосрочную безопасность питьевой воды.

Дополнительные варианты лечения

1. Фторирование воды : во многих регионах фтор добавляют в воду с целью предотвращения кариеса . Фторид обычно добавляют после процесса дезинфекции. В США фторирование обычно осуществляется добавлением гексафторкремниевой кислоты . который разлагается в воде с образованием ионов фтора.
2. Кондиционирование воды: это метод уменьшения воздействия жесткой воды. В водных системах, подверженных нагреву, могут откладываться соли жесткости, поскольку при разложении ионов бикарбоната образуются ионы карбоната, которые выпадают в осадок из раствора. Воду с высокой концентрацией солей жесткости можно обрабатывать кальцинированной содой (карбонатом натрия), которая осаждает излишки солей за счет эффекта обычных ионов , образуя карбонат кальция очень высокой чистоты. Осажденный карбонат кальция традиционно продается производителям зубной пасты . Утверждается, что некоторые другие методы очистки воды в промышленных и бытовых целях (без общенаучного признания) включают использование магнитных и/или электрических полей, снижающих воздействие жесткой воды.
3. Снижение плавкости : в районах с естественно кислыми водами с низкой проводимостью (т.е. поверхностные осадки в горах изверженных пород ), вода может быть способна растворять свинец из любых свинцовых труб, по которым она переносится. Добавление небольших количеств фосфата. ионов и небольшое повышение pH способствуют значительному снижению растворимости свинца за счет образования нерастворимых солей свинца на внутренних поверхностях труб.
4. Удаление радия: Некоторые источники подземных вод содержат радий , радиоактивный химический элемент. Типичные источники включают множество источников подземных вод к северу от реки Иллинойс в штате Иллинойс , Соединенные Штаты Америки. Радий можно удалить ионным обменом или кондиционированием воды. Однако образующаяся обратная промывка или шлам представляет собой низкоактивные отходы .
5. Удаление фтора: Хотя фторид добавляется в воду во многих регионах, в некоторых регионах мира уровень природного фторида в исходной воде повышен. Чрезмерные уровни могут быть токсичными или вызывать нежелательные косметические эффекты, такие как окрашивание зубов. Методы снижения уровня фторида заключаются в обработке фильтрующим материалом из активированного оксида алюминия и костяного угля .

Другие методы очистки воды

Другие популярные методы очистки воды, особенно для местных частных источников, перечислены ниже. В некоторых странах некоторые из этих методов используются для крупномасштабных муниципальных поставок. Особое значение имеют дистилляция ( опреснение морской воды ) и обратный осмос.

Термальный

Доведение воды до точки кипения (около 100 °C или 212 F на уровне моря) — самый старый и эффективный способ, поскольку он уничтожает большинство микробов, вызывающих кишечные заболевания. но он не может удалить химические токсины и примеси. Для здоровья человека полная стерилизация воды не требуется, так как термостойкие микробы не поражают кишечник. Традиционный совет кипятить воду в течение десяти минут в основном предназначен для дополнительной безопасности, поскольку микробы начинают умирать при температуре выше 60 °C (140 °F). Хотя температура кипения снижается с увеличением высоты, этого недостаточно для дезинфекции. В районах, где вода «жесткая» (то есть содержит значительное количество растворенных солей кальция), кипячение разлагает ионы бикарбоната , что приводит к частичному осаждению в виде карбоната кальция . Это «мех», который накапливается на элементах чайника и т. д. в районах с жесткой водой. За исключением кальция, кипячение не удаляет растворенные вещества с более высокой температурой кипения, чем вода, и фактически увеличивает их концентрацию (из-за потери некоторого количества воды в виде пара). При кипячении в воде не остается остатков дезинфицирующего средства. Следовательно, вода, которую кипятят, а затем хранят в течение длительного времени, может обзавестись новыми болезнетворными микроорганизмами.

Адсорбция

Гранулированный активированный уголь — это форма активированного угля с большой площадью поверхности. Он адсорбирует многие соединения, в том числе многие токсичные соединения. Вода, проходящая через активированный уголь , обычно используется в муниципальных районах с органическими загрязнениями, привкусом или запахом. Многие бытовые фильтры для воды и аквариумы используют фильтры с активированным углем для очистки воды. Бытовые фильтры для питьевой воды иногда содержат серебро в виде наночастиц металлического серебра . Если вода удерживается в углеродном блоке в течение длительного времени, внутри него могут расти микроорганизмы, что приводит к засорению и загрязнению. серебра Наночастицы являются отличным антибактериальным материалом и могут разлагать токсичные галогенорганические соединения, такие как пестициды, на нетоксичные органические продукты. Фильтрованную воду необходимо использовать вскоре после ее фильтрации, так как небольшое количество оставшихся микробов может со временем размножаться. В целом эти домашние фильтры удаляют более 90% хлора в стакане очищенной воды. Эти фильтры необходимо периодически заменять, в противном случае содержание бактерий в воде может увеличиться из-за роста бактерий внутри фильтрующего блока.

Дистилляция

Дистилляция включает кипячение воды для получения водяного пара . Пар контактирует с прохладной поверхностью, где конденсируется в виде жидкости. Поскольку растворенные вещества обычно не испаряются, они остаются в кипящем растворе. Даже дистилляция не позволяет полностью очистить воду из-за примесей с одинаковой температурой кипения и капель неиспарившейся жидкости, переносимых с паром. Однако путем дистилляции можно получить чистую воду на 99,9%.

Мембранная дистилляция с прямым контактом (DCMD) пропускает нагретую морскую воду вдоль поверхности гидрофобной полимерной мембраны. Испаренная вода проходит с горячей стороны через поры мембраны, образуя поток холодной чистой воды с другой стороны. Разница в давлении пара между горячей и холодной стороной помогает проталкивать молекулы воды.

Обратный осмос

Обратный осмос предполагает механическое давление, которое пропускает воду через полупроницаемую мембрану . Загрязнения остаются на другой стороне мембраны. Обратный осмос теоретически является наиболее тщательным доступным методом крупномасштабной очистки воды, хотя идеальные полупроницаемые мембраны создать сложно. Если мембраны не обслуживаются должным образом, водоросли и другие формы жизни могут колонизировать мембраны.

Кристаллизация

Углекислый газ или другой низкомолекулярный газ можно смешать с загрязненной водой при высоком давлении и низкой температуре с экзотермическим образованием кристаллов гидрата газа. Гидрат можно отделить центрифугой или седиментацией. Воду можно высвободить из кристаллов гидрата путем нагревания.

на месте Окисление

in situ Химическое окисление (ISCO) представляет собой усовершенствованный процесс окисления. Он используется для восстановления почвы и/или грунтовых вод с целью снижения концентрации целевых загрязнителей. ISCO достигается путем закачивания или иного введения окислителей в загрязненную среду (почву или грунтовые воды) для уничтожения загрязняющих веществ. Его можно использовать для восстановления различных органических соединений, в том числе тех, которые устойчивы к естественному разложению.

Биоремедиация

Биоремедиация использует микроорганизмы для удаления отходов из загрязненной территории. С 1991 года биоремедиация была предложенной тактикой удаления примесей, таких как алканы, перхлораты и металлы. Биоремедиация добилась успеха, поскольку перхлораты хорошо растворимы, что затрудняет их удаление. Примеры применения Dechromonas agitata штамма CKB включают полевые исследования, проведенные в Мэриленде и на юго-западе США.

Перекись водорода

Перекись водорода ( H
₂2О
₂ ) — обычное дезинфицирующее средство, способное очищать воду. Обычно его производят на химических заводах и транспортируют в загрязненную воду. Альтернативный подход использует золото-палладиевый катализатор для синтеза H.
₂2О
₂ от атомов водорода и кислорода окружающей среды в месте использования. Последний, как сообщается, был быстрее и 10 ⁷ раз более эффективен в уничтожении Escherichia coli, чем коммерческий H.
₂2О
₂ и более 10 ⁸ раз более эффективен, чем хлор. Каталитическая реакция также приводит к образованию активных форм кислорода (АФК), которые связывают и разлагают другие соединения.

Безопасность и противоречия

Дополнительная информация: Дистиллированная вода § Проблемы со здоровьем.

Радужная форель ( Oncorhynchus mykiss ) часто используется на водоочистных станциях для обнаружения острого загрязнения воды.

В апреле 2007 года система водоснабжения в Спенсере, штат Массачусетс в Соединенных Штатах Америки, была загрязнена избытком гидроксида натрия (щелочи) из-за неисправности очистного оборудования.

Многие муниципалитеты перешли от свободного хлора к хлорамину в качестве дезинфицирующего средства. Однако хлорамин оказывается коррозионным агентом в некоторых водных системах. Хлорамин может растворить «защитную» пленку внутри старых водопроводов, что приведет к вымыванию свинца в водопроводные краны жилых домов. Это может привести к вредному воздействию, включая повышение уровня свинца в крови . Свинец является известным нейротоксином .

Деминерализованная вода

Дистилляция удаляет из воды все минералы, а мембранные методы обратного осмоса и нанофильтрации удаляют большую часть всех минералов. В результате получается деминерализованная вода, которая не считается идеальной питьевой водой . Всемирная организация здравоохранения исследует влияние деминерализованной воды на здоровье с 1980 года. Эксперименты на людях показали, что деминерализованная вода увеличивает диурез и выведение электролитов , при этом снижается в сыворотке крови концентрация калия . Магний , кальций и другие минералы в воде могут помочь защитить от дефицита питательных веществ. Деминерализованная вода также может увеличить риск содержания токсичных металлов, поскольку она легче выщелачивает из трубопроводов такие материалы, как свинец и кадмий, чему препятствуют растворенные минералы, такие как кальций и магний. Вода с низким содержанием минералов была вовлечена в конкретные случаи отравления свинцом у детей грудного возраста, когда свинец из труб особенно быстро выщелачивался в воду. Рекомендации по магнию составляют минимум 10 мг/л и оптимальный уровень 20–30 мг/л; для кальция минимум 20 мг/л и оптимум 40–80 мг/л, общая жесткость воды (с добавлением магния и кальция) от 2 до 4 ммоль /л. При жесткости воды выше 5 ммоль/л наблюдается более высокая заболеваемость камнями в желчном пузыре, почках, мочевых путях, артрозах и артропатиях. Кроме того, процессы опреснения могут увеличить риск бактериального заражения.

Производители домашних дистилляторов утверждают обратное: минералы в воде являются причиной многих заболеваний и что большинство полезных минералов поступают из пищи, а не из воды.

История

Дополнительная информация: История водоснабжения и канализации.

Рисунок аппарата для изучения химического анализа минеральных вод в книге 1799 года.

Первые эксперименты по фильтрации воды были проведены в 17 веке. Сэр Фрэнсис Бэкон попытался опреснять морскую воду, пропуская ее через песчаный фильтр . Хотя его эксперимент не увенчался успехом, он положил начало новому интересу в этой области. Отцы микроскопии и Антони ван Левенгук Роберт Гук использовали недавно изобретенный микроскоп для наблюдения за мелкими частицами материала, которые находились во взвешенном состоянии в воде, заложив основу для будущего понимания болезнетворных микроорганизмов, передающихся через воду. впервые

Песочный фильтр

Оригинальная карта Джона Сноу, показывающая скопления случаев холеры во время лондонской эпидемии 1854 года .

Первое задокументированное использование песчаных фильтров для очистки водопроводной воды датируется 1804 годом, когда владелец отбеливателя в Пейсли, Шотландия , Джон Гибб установил экспериментальный фильтр, продавая населению ненужные излишки воды. Этот метод был усовершенствован в течение следующих двух десятилетий инженерами, работавшими в частных компаниях водоснабжения, и его кульминацией стал первый в мире очищенный общественный водопровод, установленный инженером Джеймсом Симпсоном для компании Chelsea Waterworks в Лондоне в 1829 году. Эта установка обеспечивала фильтрованной водой каждого жителя этого района, и в последующие десятилетия конструкция сети широко копировалась по всему Соединенному Королевству.

Практика очистки воды вскоре стала основной и распространенной, а достоинства системы стали совершенно очевидными после исследований врача Джона Сноу во время вспышки холеры на Брод-стрит в 1854 году . Сноу скептически относился к господствовавшей в то время теории миазмов , утверждавшей, что болезни вызываются вредным «плохим воздухом». Хотя микробная теория болезней еще не была разработана, наблюдения Сноу заставили его отказаться от преобладающей теории. Его эссе 1855 года «О способах распространения холеры» убедительно продемонстрировало роль водоснабжения в распространении эпидемии холеры в Сохо . с использованием карты распределения точек и статистических доказательств, чтобы проиллюстрировать связь между качеством источника воды и случаями холеры. Его данные убедили местный совет отключить водяной насос, что быстро положило конец вспышке.

Закон о воде мегаполиса ввел регулирование деятельности компаний водоснабжения впервые в Лондоне, включая минимальные стандарты качества воды. Закон «предусматривал обеспечение снабжения Метрополиса чистой и полезной водой» и требовал, чтобы вся вода была «эффективно фильтрована» с 31 декабря 1855 года. За этим последовал закон об обязательной проверке качества воды, включая комплексный химический анализ, в 1858 году. Этот закон создал мировой прецедент для аналогичных государственных мер общественного здравоохранения по всей Европе. над шлюзом Тогда же была образована Столичная комиссия по канализации, по всей стране была введена фильтрация воды, а новые водозаборы на Темзе были установлены Теддингтон . Автоматические напорные фильтры, в которых вода пропускается под давлением через систему фильтрации, были изобретены в 1899 году в Англии.

Хлорирование воды

Смотрите также: Хлорирование воды § История

Джон Сноу был первым, кто успешно применил хлор для дезинфекции водопровода в Сохо, что способствовало распространению вспышки холеры. Уильям Сопер также использовал хлорированную известь для очистки сточных вод, образующихся у больных тифом в 1879 году.

В статье, опубликованной в 1894 году, Мориц Траубе официально предложил добавлять в воду хлорид извести ( гипохлорит кальция ), чтобы сделать ее «свободной от микробов». Два других исследователя подтвердили выводы Траубе и опубликовали свои статьи в 1895 году. Первые попытки внедрить хлорирование воды на водоочистных станциях были предприняты в 1893 году в Гамбурге , Германия, а в 1897 году город Мейдстон в Англии был первым, где весь водопровод был обработан хлором.

Постоянное хлорирование воды началось в 1905 году, когда неисправный медленный песочный фильтр и загрязненная система водоснабжения привели к серьезной эпидемии брюшного тифа в Линкольне, Англия . Александр Круикшанк Хьюстон использовал хлорирование воды, чтобы остановить эпидемию. Его установка подавала в очищаемую воду концентрированный раствор хлорной извести. Хлорирование водопровода помогло остановить эпидемию, и в качестве меры предосторожности хлорирование продолжалось до 1911 года, когда был открыт новый водопровод.

Хлоратор с ручным управлением для сжижения хлора для очистки воды, начало 20 века. Из «Хлорирование воды» , 1918 год. книги Джозефа Рэйса

Первое непрерывное использование хлора в США для дезинфекции имело место в 1908 году в водохранилище Бунтон (на реке Рокуэй ), которое служило снабжением Джерси-Сити, штат Нью-Джерси . Хлорирование достигалось контролируемым добавлением разбавленных растворов хлорной извести ( гипохлорита кальция ) в дозах от 0,2 до 0,35 ppm. Процесс очистки был разработан Джоном Л. Лилом, а установка хлорирования спроектирована Джорджем Уорреном Фуллером. В течение следующих нескольких лет хлорная дезинфекция с использованием хлорида извести была быстро внедрена в системах питьевой воды по всему миру.

Методика очистки питьевой воды с использованием сжатого сжиженного газообразного хлора была разработана британским офицером Индийской медицинской службы Винсентом Б. Несфилдом в 1903 году. По его собственным словам:

Мне пришло в голову, что газообразный хлор мог бы оказаться удовлетворительным... если бы были найдены подходящие средства для его использования... Следующий важный вопрос заключался в том, как сделать этот газ портативным. Этого можно достичь двумя способами: сжижать его и хранить в железных сосудах, облицованных свинцом, имеющих форсунку с очень тонким капиллярным каналом и снабженных краном или завинчивающейся крышкой. Кран открывают, и в цилиндр помещают необходимое количество воды. Хлор вылетает наружу, и через десять-пятнадцать минут вода становится абсолютно безопасной. Этот метод можно было бы использовать в больших масштабах, например, для тележек с технической водой.

Майор армии США Карл Роджерс Дарналл , профессор химии в Армейской медицинской школе , впервые на практике продемонстрировал это в 1910 году. Вскоре после этого майор Уильям Дж. Л. Листер из армейского медицинского департамента применил для лечения раствор гипохлорита кальция в льняном мешке. вода. На протяжении многих десятилетий метод Листера оставался стандартом для сухопутных войск США в полевых условиях и в лагерях, реализованный в виде знакомой нам сумки «Листер» (также называемой «Мешок Листера»). Мешок был сделан из холста и вмещал 36 галлонов воды. Он был пористым и держался на веревках, очищая воду с помощью раствора гипохлорита кальция. К каждому пакету был прикреплен кран, который использовался для смыва воды для тестирования, а также для раздачи воды для использования. Это стало основой современных систем очистки городской воды .

Глобальный

Согласно отчету Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) за 2007 год, 1,1 миллиарда человек не имеют доступа к улучшенному снабжению питьевой водой ; 88% из 4 миллиардов ежегодных случаев диарейных заболеваний объясняются небезопасной водой и неадекватными санитарными условиями и гигиеной, а 1,8 миллиона человек умирают от диарейных ежегодно заболеваний. По оценкам ВОЗ, 94% случаев диарейных заболеваний можно предотвратить путем внесения изменений в окружающую среду, включая доступ к безопасной воде. Простые методы очистки воды в домашних условиях, такие как хлорирование, фильтры и солнечная дезинфекция, а также хранение ее в безопасных контейнерах могут ежегодно спасать огромное количество жизней. Снижение смертности от болезней, передающихся через воду, является основной целью общественного здравоохранения в развивающихся странах.

Мировой рынок очистки воды оценивается в 22 миллиарда долларов. Домашние фильтры и очистители воды в Индии распространены.

Диспетчерская и схема водоочистной станции в Лак-де-Брет , Швейцария.

См. также

• История водоснабжения и канализации
• Список систем водоснабжения и канализации по странам
• Микрофильтрация
• Организмы, участвующие в очистке воды
• Портативная очистка воды
• Умягчение воды
• Экономия воды
• Рециркуляция воды
• Очистка воды

Дальнейшее чтение

• Итон, Эндрю Д.; Гринберг, Арнольд Э.; Райс, Юджин В.; Клесери, Ленор С.; Фрэнсон, Мэри Энн Х., ред. (2005). Стандартные методы исследования воды и сточных вод (21-е изд.). Американская ассоциация общественного здравоохранения. ISBN  978-0-87553-047-5 . Также доступно на компакт-диске и онлайн по подписке.
• Мастерс, Гилберт М.; Эла, Венделл (2008). Введение в экологическую инженерию и науку . Хобокен, Нью-Джерси: Прентис Холл. ISBN  9780131481930 .
• Агентство по охране окружающей среды. «Подземные воды и питьевая вода» Обзор и подробная информация о программе регулирования США и связанных с ней темах, связанных с питьевой водой.

Внешние ссылки

• Американская ассоциация водопроводных предприятий
• «Вода из крана: что нужно знать». – Руководство для потребителей по питьевой воде в США (EPA)
• Аварийная дезинфекция питьевой воды – кемпинг, походы и путешествия (CDC)
• Свод федеральных правил, раздел 40, часть 141. Архивировано 8 февраля 2009 г. в Wayback Machine - Национальные правила США по первичной питьевой воде.