1.6.3. Бактериальная загрязненность воды

Общая бактериальная загрязненность воды характеризуется количеством бактерий, содержащихся в 1 мл воды. Согласно ГОСТ 2874-83 питьевая вода не должна содержать более 100 бактерий в 1 мл.

Особую важность для санитарной оценки воды имеет определение наличия в ней бактерий группы кишечной палочки. Присутствие кишечной палочки свидетельствует о загрязнении воды фекальными стоками, а следовательно, о возможности попадания в нее болезнетворных бактерий, в частности брюшного тифа. Путем бактериологического анализа воды определяют число кишечных палочек в 1 мл воды (так называемый коли-индекс) или тот наименьший объем воды, в котором еще обнаруживается кишечная палочка (коли-титр). Согласно требованиям стандарта, в питьевой воде может содержаться не более трех кишечных палочек в 1 л (коли-индекса 3).

1.7. Основные способы очистки воды, подаваемой на хозяйственно-питьевые нужды

Степень очистки воды и состав сооружений зависят от требований, предъявляемых к качеству воды, и от качества самой воды в источнике. Если вода источников водоснабжения не удовлетворяет требованиям ГОСТ для питьевых целей, то применяются основные процессы очистки:

1. осветление, которое достигается путем отстаивания воды в отстойниках или осветлителях для выделения из воды взвешенных веществ и фильтрование воды через фильтрующие материалы;

2. обеззараживание (дезинфекция) для уничтожения бактерий, содержащихся в воде;

3. умягчение – уменьшение содержания в воде солей кальция и магния.

Другие способы обработки воды – обезжелезивание, дегазация, стабилизация – применяют реже, главным образом для нужд производственных предприятий.

Очистка воды для питьевых целей состоит из коагулирования, осветления, фильтрования и обеззараживания.

На рис. 1.9 представлены принципиальные схемы станции для очистки воды с применением коагулянтов и без них.

1.7.1. Коагулирование воды

Обработка воды коагулянтами производится для очистки воды открытых водоемов. При этом наряду с освобождением воды от взвеси достигается также удаление из воды коллоидных веществ, обуславливающих цветность, планктонных организмов, существенно снижается бактериальная загрязненность воды. Нередко при обработке коагулянтом уменьшаются также запахи и привкусы воды.

В водах открытых водоемов взвешенные вещества чаще всего представляют собой частицы песка, глины, планктонные организмы, продукты разрушения растений и т.п.

Взвешенные частицы, удельный вес которых больше 1 г/мл, стремятся осаждаться на дно. Однако наиболее мелкие частицы суспензий размерами от 4 до 0,1 мк и коллоидные частицы размером от 0,1 до 0,001 мк практически не осаждаются, оставаясь в воде во взвешенном состоянии. Для их осаждения и применяют коагулянты – вещества, образующие относительно крупные, быстро осаждающиеся хлопья, которые увлекают с собой при осаждении мелкодисперсную взвесь, загрязняющую воду.

В практике водоподготовки приходится иметь дело с гидрофобными и гидрофильными коллоидами. Отдельные частицы гидрофобной группы несут значительные электрические заряды, препятствующие взаимному их сближению и слипанию.

Гидрофильные коллоиды – это в основном органические загрязнения, представляющие собой полимерные молекулы, способные удерживать вокруг себя водную оболочку. Частицы гидрофильной группы несут незначительные электрические заряды.

Частицы глины, ила и подобная взвесь по преимуществу образуют гидрофильные коллоиды. К ним относятся также золи гидроокисей металлов, в частности, алюминия и железа.

Коллоидные частицы постоянно находятся в броуновском движении, удерживая покрывающий их тонкий слой воды, благодаря чему адсорбируют находящиеся в воде ионы одного знака. Частицы коллоидов, находящиеся в воде под воздействием диффузионных сил, обусловливающих броуновское движение, стремятся равномерно распределяться по всему объему жидкости. При достаточно малых размерах коллоидных частиц силы диффузии преобладают над силами тяжести и частицы остаются во взвешенном состоянии. Для того, чтобы произошло осаждение этих частиц, необходимо их укрупнение за счет слипания.

Наличие у частиц электрических зарядов одного знака, вызывающих их взаимное отталкивание, мешает слипанию частиц.

Среди загрязнений природных вод частицы глины, почвенного гумуса, коллоиды гуминовых веществ, вызывающих цветность воды, имеют обычно отрицательный заряд. Их коагулирование возможно при добавлении к воде электролитов, дающих двухвалентные или лучше трехвалентные катионы.

В практике очистки воды в качестве коагулянтов применяются преимущественно соли алюминия и железа: сернокислый алюминий Al₂(SО₄)₃, хлорное железо FeCl₃, железный купорос FeSО₄, сернистое трехвалентное железо Fe₂(SO₄)₃, которые способны образовывать гидрофобные коллоидные системы. При коагуляции такие системы имеют хлопья, сорбирующие и захватывающие частицы природных загрязнений воды.

При введении в воду сернокислого алюминия происходит его диссоциация:

A l²(SO₄)₃ 2Al³⁺+3SO₄^2-.

Ионы алюминия вступают в обмен с катионами, которые находятся в адсорбционном слое глинистых частиц загрязняющих воду. При этом может произойти снижение устойчивости глинистых частиц за счет обмена катионов глины на катионы Al³⁺.

Этот процесс ионного обмена заканчивается по исчерпанию обменной емкости частиц взвеси. После этого идет гидролиз избытка добавленного к воде сернокислого алюминия с образованием ионов Al(OH)²⁺, а затем Al(OH)₂⁺, заканчивающийся получением коллоида малорастворимой гидроокиси алюминия:

A l³⁺+3H₂O Al(OH)₃+3H⁺.

Ионы водорода, выделяющиеся при гидролизе сернокислого алюминия, задерживают дальнейший гидролиз. Поэтому необходимо, чтобы образующиеся при гидролизе ионы водорода удалялись из сферы реакции. Это осуществляется за счет реакции ионов водорода с бикарбонатными ионами, обычно имеющими в природных водах.

Н ⁺+НСО₃^- СО₂+Н₂О.

Гидроокись алюминия Al(OH)₃ быстро коагулирует не только между собой, но и с коллоидными частицами глины и гумуса не зависимо от того, заряжены они или нет, образуя агрегаты – хлопья. Процесс агрегации можно рассматривать как сорбционный. Коллоидные частицы гуминовых веществ, размер которых меньше размера частиц гидроокиси Al(OH)₃, сорбируются на гидроокиси. В свою очередь частицы Al(OH)₃ адсорбируются на поверхности более крупных частиц взвеси.

В этом случае взвешенные частицы соединяются между собой не непосредственно, а с помощью гидроокиси алюминия, образуя сетку из «клеевых мостиков» Al(OH)₃ (рис. 1.11).

Таким образом, образовавшаяся сетка из гидроокиси Al(OH)₃),опускаясь вниз, захватывая на своем пути взвешенные частицы и бактерии, производит осветление обрабатываемой воды, которое происходит в специальных сооружениях – отстойниках.

Смесители. Для того, чтобы после введения реагентов химическая реакция протекала во всем объеме обрабатываемой воды, необходимо полное быстрое смешивание реагентов с водой.

Смешивание должно закончиться до того, как начнется образование хлопьев во всей массе воды. Обычно продолжительность пребывания воды в смесителях не должно превышать 12 мин.

Смешивание раствора реагента с водой может быть осуществлено путем создания сильно завихренного движения воды в пределах смесителя или путем механического перемешивания в смесителе различными мешалками.

Рис 1.11. Примерная структура хлопьев взвеси

1 – крупные частицы; 2 – гидроокись алюминия; 3 – “клеевые мостики”;

4 – коллоидные частицы

Рис. 1.12. Перегородчатый смеситель

1 – труба для подвода воды; 2 – труба для подвода реагента; 3 –перелив;

4 - перегородки

На практике чаще используются системы, основанные на гидравлическом перемешивании раствора реагента с водой. Они обеспечивают достаточно полное смешивание, просты и надежны в эксплуатации. Наиболее распространенными типами таких смесителей являются дырчатые, перегородчатые и вертикальные. На рис. 1.12 показан перегородчатый смеситель, представляющий собой прямоугольный лоток, в котором последовательно установлено несколько перегородок с проемами, обуславливающих непрерывное изменение направления струй воды и скорости движения. Расчетная скорость движения воды в лотке принимается 0,6 м/с, а в проемах – 1 м/с. Расстояние между перегородками принимается равным двойной ширине лотка. При подобных условиях падение уровня между отделениями будет составлять 0,13 м.

Камера хлопьеобразования. После смешивания обрабатываемой воды с реагентом начинается образование хлопьев. Этот процесс идет более успешно при равномерном и медленном перемешивании воды, при котором создаются оптимальные условия для агломерации мелких хлопьев в крупные. Вместе с тем перемешивание не должно происходить с большой интенсивностью, так как это может привести к раздроблению образовавшихся хлопьев. Процесс хлопьеобразования протекает относительно медленно, и для получения достаточно крупных хлопьев (для осаждения) требуется 1030 мин. Скорость движения при перемешивании в камере хлопьеобразования должна быть достаточной для предотвращения выпадения хлопьев в пределах камеры.

Наибольшее распространение получили перегородчатые, вихревые, водоворотные и лопастные камеры хлопьеобразования.

На рис. 1.13 представлена схема перегородчатой камеры, которая выполнена в виде резервуара, разделенного перегородками на ряд проходимых водой коридоров.

Число поворотов потока обычно принимают равным 810. Для выпуска осадка дну камеры придается уклон. Скорость движения воды в камере принимается равной 0,2…0,3 м/с. Ширину коридора, образуемого перегородками, принимают равной в=Q/(VH) 0,7 м. Н – глубина воды в камере.

Потери напора в камере определяются по формуле

где n – число поворотов потока;

h - потери на трение по всей длине камеры.

Рис. 1.13. Перегородчатая камера хлопьеобразования

с горизонтальным движением воды

1 – обводной канал; 2 – канал для отвода осадков; 3 – шиберы;

4 – промежуточные шиберы для выключения части камеры;

5 – шиберы для выпуска осадка

Если =3, можно пренебречь потерями напора на трение (ввиду их относительно малой величины). При этом формула (1.44) принимает вид