Основными способами улучшения качества воды являются: осветление (удаление взвешенных веществ), обесцвечивание (удаление окрашенных коллоидов; растворенных веществ), обеззараживание (уничтожение патогенных микроорганизмов) и специальные методы обработки (удаление или введение в воду необходимых элементов). Типовая схема процесса очистки воды приведена на рисунке.
Осветление воды осуществляется путем механического отстаивания с последующей фильтрацией воды от частиц размером более 1 мкм через соответствующие устройства. Для повышения эффекта осветления в отстойниках осуществляют предварительную химическую обработку (коагуляцию с применением в качестве коагулянта сернокислого алюминия), приводящую к укрупнению взвешенных в воде частиц (они слипаются и выпадают в осадок в виде хлопьев). При коагуляции перспективно использовать новые химические вещества, созданные благодаря успехам химии (флоккулянты, в частности, полиакриламид), которые позволяют ускорить эту работу. В осадок выпадает и часть микроорганизмов.
Типовая схема процесса очистки воды
1 — аэрация разбрызгиванием; 2 — хлорирование; 3 — смесительная камера: уголь и алюминиевые или железные квасцы; 4 — конечное хлорирование; 5 — распределение чистой воды по потребителям
После отстаивания и коагуляции вода поступает на фильтрацию (обычно кварцевым песком). Наиболее часто применяется «скорый фильтр»: резервуар, заполненный песком, а под ним слой гравия. Фильтр задерживает более мелкие частицы и часть микроорганизмов. Рассмотренные очистные сооружения водопровода, основной функцией которых является осветление и обесцвечивание воды, способны задержать до 90% находящихся в воде микроорганизмов.
Этот процесс заключается в сорбции бактерий и вирусов на поверхности взвешенных частиц и хлопьев, последующее их осаждение в отстойниках или отфильтровывание, что зависит от параметров взвесей, которые имеют огромный разброс. Не осевшие на взвесях микроорганизмы проникают через все элементы очистных сооружений. Для недопущения передачи через воду кишечных инфекций и их окончательного уничтожения в практике коммунального водоснабжения используют реагентные (хлорирование, озонирование) или безреагентные (ультрафиолетовое, лазерное или гамма-облучение) методы.
Хлорирование воды на современном этапе наиболее распространено из-за простоты процесса, надежности и дешевизны. При правильно выбранной дозе хлорирования и достаточной предварительной очистке вода полностью освобождается от патогенных микробов: это фиксируется наличием свободного хлора, т.е. не требуется проведение анализа очищенной воды. К недостаткам процесса хлорирования относятся сложность транспортировки хлора (высокотоксичное вещество, образующее в воде хлорорганические соединения, вредные для организма, требует строго выполнять меры безопасности и длительного контакта для достижения эффекта очистки воды).
Процесс озонирования (прямого контакта газа с водой) является альтернативным хлорированию. Озон — сильный окислитель, разрушающий микроорганизмы. При озонировании углеводороды не образуются (как это наблюдается при хлорировании), а имеющиеся в воде углеводороды разрушаются озоном путем окисления, происходит обесцвечивание и устранение посторонних привкусов и запахов. Озон улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает бактерицидный эффект при менее продолжительном контакте (до 10 мин).
Даже при вводе избыточного количества озона в обработанной воде не остается следов свободного озона, но это не дает полной гарантии уничтожения микроорганизмов: требуется выполнить дополнительный анализ взятых проб (проведение теста на присутствие бактерий требует 24 ч). Если микроорганизмы попадут в воду после обработки озоном, то они не погибают. А это требует использовать дополнительное обеззараживающее средство, т.е. опять хлор. Широкому внедрению озонирования препятствует высокая энергоемкость процесса получения озона.
На качество природных вод оказывают влияние природные и антропогенные факторы. К природным (естественным) факторам относятся условия формирования поверхностного или подземного водного стока, разнообразные природные явления, накопление органических веществ из-за отмирания растительных и животных организмов. К антропогенным факторам — деятельность людей, что приводит к химическому, физическому и (или) биологическому загрязнению воды.
Влияние примесей на состояние водного объекта
| Примеси | Состав примесей | Влияние на водный объект |
|---|---|---|
| Механические | Песок, глина, шлак, рудные включения | Обмеление реки, заиливание водохранилища, дефицит кислорода, замедление развития водных организмов |
| Минеральные, химические (растворы, коллоиды, взвеси) | Тяжелые металлы, минеральные удобрения, биогенные элементы (азот, фосфор, углерод) | Токсические воздействия на водные организмы. Приводят к «цветению» водоемов |
| Органические, легко окисляемые (растворы, коллоиды, взвеси) | Органические вещества в сточных водах пищевых и сельскохозяйственных объектов, бытовых отходах | Из-за дефицита кислорода изменяется рН, ухудшаются органолептические свойства, бурно развиваются сине-зеленые водоросли |
| Органические, трудно окисляемые (растворы, коллоиды, взвеси) | Нефтепродукты, фенольные соединения, жесткие СПАВ, стойкие пестициды | Из-за высокой стойкости и токсичности придают воде неприятный запах и вкус, ограничивая ее пригодность для питья; трудно удаляются из воды |
| Биологические | Бактерии, водоросли, простейшие, черви, яйца гельминтов, грибы | Образуют устойчивые взвеси. Происходит обрастание подводных предметов. Участвуют в самоочищении и вторичном загрязнении водоема |
Причиной химических загрязнений водных объектов обычно является сброс неочищенных или недостаточно очищенных промышленных или бытовых сточных вод: органической или неорганической природы, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ).
Физические загрязнения определяются тепловыми, механическими или радиоактивными примесями. Биологическое загрязнение заключается в изменении свойств водной среды в результате увеличения количества несвойственных ей видов микроорганизмов, поступающих обычно с бытовыми сточными водами (воды кухонь, туалетов, больниц, прачечных).
Сточные воды представляют собой сложные гетерогенные системы загрязняющих веществ, находящихся в растворенном, коллоидном или нерастворенном состоянии.
Сточные воды можно разделить на бытовые, производственные и ливневые (дождевые), отличающиеся друг от друга происхождением, составом и биологической активностью.
Бытовые сточные воды образуются в результате жизнедеятельности людей и характеризуются наличием загрязнителей минерального (соли аммония, фосфаты, хлориды, гидрокарбонаты) и органического (безазотистые и азотосодержащие) происхождения. Минеральные вещества в сточных водах могут быть в нерастворенном виде (5%), в виде суспензии (5%), коллоидах (2%) и растворенном виде (до 30%). Безазотистые органические вещества представляют собой углеводороды и жиры, азотосодержащие — белки и продукты их гидролиза. Содержание органических нерастворенных загрязнителей в сточных водах составляет 15%, в виде суспензии 5%, коллоидов 8% и растворенных 20%. Особой группой загрязнителей являются микроорганизмы.
Состав производственных сточных вод зависит от характера производственного процесса на соответствующем объекте экономики:
- сточные воды предприятий металлургии и аналогичных производств (например, гальванических), содержащие неорганические примеси в виде солей тяжелых металлов, способных токсически воздействовать на обитателей водоемов;
- сточные воды рудообогатительных и цементных предприятий, ДСК с неорганическими примесями, не обладающими токсичным действием (здесь примеси находятся во взвешенном состоянии);
- стоки предприятий химической и нефтехимической промышленности, органического синтеза, содержащие органические вещества, обладающие токсическим действием (ПАВ, фенолы, ацетон, формальдегид, неорганические кислоты, жиры, нефтепродукты, хлориды);
- воды, содержащие нетоксичные органические вещества, попадание которых в водоемы приводит к снижению концентрации растворенного кислорода, возрастанию окисляемости, ВПК.
Дождевые сточные воды также характеризуются огромным разнообразием примесей, зависящих от множества факторов (общего санитарного состояния территории ливневого сбора, видов и характеристик промышленности региона, режима таяния снега, характера атмосферных осадков).