Характеристики интегральной оценки качества воды

Критериями экстремально высокого загрязнения поверхностных вод суши и морских вод являются:

• максимально разовое содержание для нормируемых веществ 1 и 2 классов опасности в концентрациях, превышающих ПДК в 5 и более раз, для веществ 3 и 4 классов опасности – в 50 и более раз;

• появление запаха вод интенсивностью более 4 баллов;

• покрытие пленкой более 1/3 поверхности водного объекта;

• снижение концентрации растворенного кислорода до значений 2 мг/дм³ и менее; увеличение БПК₅ свыше 40 мг О₂ /дм³.

Оценка влияния хозяйственной деятельности на загрязнение подземных вод. Приоритетные загрязнители подземных вод в местах расположения городских очистных сооружений, полигонов ТБО, аэропортов, полигонов промотходов, предприятий теплоэнергетики, нефтепереработки и др. объектов хозяйственной деятельности установлены СП 2.1.6.1059-01 [76].

Приоритетными загрязнителями, проникающими в водоносные горизонты, являются нефтепродукты, фенолы, тяжелые металлы и др. Выделяют четыре степени влияния техногенного фактора на подземные воды:

1. допустимое – фоновые показатели состояния воды периодически

повышаются при максимальных уровнях загрязнения ниже гигиенических нормативов;

2. слабовыраженное – сохраняется тенденция к возрастанию показателей техногенного загрязнения в течение года при максимальных уровнях загрязнения ниже гигиенических нормативов;

3. предельные – стабильное превышение фоновых показателей при их максимальных уровнях ≤ ПДК;

4. опасное – стабильное превышение фоновых показателей при их максимальных уровнях > ПДК.

Технико-технологические методы подготовки питьевой воды. Города обеспечиваются водой через системы центрального водоснабжения. В настоящее время в Российской Федерации централизованные системы водоснабжения имеют 104 города (98% от общего количества городов). Мощность водопроводов достигла 102 млн м³/сут., в том числе коммунальных  53 млн м³/сут. Расход воды на хозяйственно-питьевые нужды составляет 343 л/сут. на 1 жителя России. Источниками централизованного водоснабжения служат поверхностные воды, доля которых в общем объеме водозабора составляет 68%, и подземные воды – 32%.

Вода – необходимый элемент жизнеобеспечения населения. От ее качества, количества и бесперебойной подачи зависит состояние здоровья людей, степень благоустройства жилищного фонда и городской среды. Проблемы водопользования, связанные с ухудшением качества воды и ее пагубным воздействием на здоровье людей, возникли в больших городах России на рубеже ХIX – ХХ вв. На протяжении более чем столетнего периода отработаны технологические и технические средства водоподготовки и водоочистки для специфических условий каждого города.

Методы очистки и обеззараживания воды поверхностных источников. Традиционные технологии подготовки питьевой воды основаны на физико-химических методах очистки и обеззараживания. Обработка природной воды состоит из ряда последовательных стадий: коагуляции, отстаивания, фильтрации, обеззараживания хлором, а также, при необходимости, сорбции. Конструктивное оформление этих процессов включает смесители, отстойники, фильтры. Из-за повышенного загрязнения поверхностных водоисточников традиционно применяемые технологии обработки воды стали в большинстве случаев недостаточно эффективными. Для улучшения качества питьевой воды разработаны специальные технологии ее очистки, а также соответствующее им оборудование и реагенты [77].

Коагуляция – это процесс слипания частиц, взвешенных в воде, с образованием более крупных агрегатов. Реагентами, вызывающими коагуляцию, являются коагулянты – сульфат алюминия, хлорное железо. Помимо традиционных применяются новые эффективные реагенты отечественного и зарубежного производства  оксихлорид алюминия, основной сульфат алюминия и др. В результате коагулирования воды образуются хлопьевидные взвеси.

В случае повышенной мутности очищенной воды дополнительно к коагулянту вводят флокулянт. Флокуляция – процесс агрегации взвешенных частиц при добавлении в воду высокомолекулярных соединений – флокулянтов. В качестве последнего обычно используют полиакриламид. Флокулянт повышает прочность хлопьев, ускоряет процесс их укрупнения, улучшает осаждение скоагулированной взвеси и осветление воды. Одной из проблем в технологии очистки является содержание в очищенной воде остаточных количеств алюминий- и железосодержащих коагулянтов, полиакриламида.

Для осаждения хлопьев используют отстойники. После отстаивания воду подвергают фильтрации. Традиционным фильтрующим материалом является кварцевый песок. Другими фильтрующими материалами, разрешенными к применению Минздравом России, являются дробленый керамзит, шунгизит, гранодиорит, вулканические шлаки и прочие материалы. По сравнению с песком эти материалы имеют более развитую поверхность. Их применение позволяет повысить производительность фильтровальных сооружений на 30…50%. В последние годы на многих водопроводных станциях используются системы фильтров, изготовленных из дырочных полиэтиленовых труб с фильтрующим слоем из полиэтилена.

Обеззараживание воды. Целью обеззараживания воды является уничтожение болезнетворных микроорганизмов, защита воды от внешнего загрязнения и вторичного роста микроорганизмов при транспортировании воды по водопроводным сетям. Эффективность обеззараживания воды зависит от концентрации и вида микробиологических загрязнений, их устойчивости к используемым реагентам. При этом, чем глубже очистка воды от взвешенных веществ, тем лучше доступ дезинфицирующего реагента к бактериям и вирусам.

Одним из основных методов обеззараживания воды является ее хлорирование с использованием жидкого хлора CI₂ и различных хлорреагентов – гипохлорита натрия NaCIO, гипохлорита кальция Ca(CIO)₂, диоксида хлора CIO₂. Перспективным для хлорирования воды является применение гипохлорита натрия. Его получают непосредственно на водоочистной станции путем электролиза поваренной соли. Использование гипохлорита натрия позволяет повысить экологическую и гигиеническую безопасность производства воды, уменьшить коррозию оборудования и трубопроводов, повысить экономичность производства.

При нормальных условиях хлорирования (содержание остаточного хлора не менее 0,5 мг/л при контакте в течение 30 минут) концентрация некоторых вирусов и бактерий уменьшается более чем на 99%. Однако для очистки воды от микробиологических загрязнений, устойчивых к действию хлорреагентов (вирус гепатита А или цисты лямблий), необходимо увеличить время контакта воды с хлором от 0,5 до 3 часов при содержании остаточного хлора в воде 5…0,6 мг/л. Использование повышенных доз хлора вызывает необходимость последующего дехлорирования воды на выходе из резервуаров или ее кипячения непосредственно у потребителя.

При хлорировании воды образуются токсичные хлорорганические соединения: хлороформ, дихлорбромметан, бромоформ и др. Происходит это главным образом при нахождении в воде таких органических соединений как глюкоза, дубильная, галловая и гуминовые кислоты природного происхождения, которые взаимодействуют с активным хлором. Обладают таким свойством и находящиеся в воде загрязняющие примеси антропогенного происхождения (фенолы, углеводороды).

Концентрация хлороформа, образующегося при хлорировании воды, в 5…30 раз превышает концентрацию остальных примесей. Процесс дехлорирования осуществляется с помощью различных химических восстановителей (тиосульфат натрия, сернистая кислота). Наиболее эффективным методом удаления хлорорганических соединений является сорбция на фильтрах с активным углем. Однако в связи с небольшой адсорбционной емкостью угля время защитного действия фильтра составляет всего 3…6 месяцев. К методам, предотвращающим образование хлорорганических соединений, относятся также: изменение режима хлорирования воды (дробное или периодическое хлорирование), применение УФ-обеззараживания в сочетании с хлорированием, замена хлора другими окислителями (озон, диоксид хлора, хлорамин).

УФ-облучение воды является альтернативным методом ее обеззараживания. Оно используется при обработке маломутных вод, имеющих среднюю цветность. Эффект обеззараживания основан на воздействии ультрафиолетовых лучей с длиной волны 200…300 нм на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Обеззараживаемая ультрафиолетом вода должна иметь достаточную прозрачность, поскольку в загрязненных водах интенсивность проникновения УФ-лучей быстро затухает. Установка УФ-обеззараживания воды комплектуется ртутными лампами низкого давления и не исключает заключительного этапа хлорирования. В последние годы созданы новые экономичные установки УФ-обеззаражи-вания воды.

Эффективным методом обеззараживания воды является озонирование. Озон действует на окислительно-восстановительную систему и на протоплазму клеток микроорганизмов, обеспечивая тем самым бактерицидный эффект. Озон как обеззараживающий реагент в 15…20 раз действует быстрее хлора, оказывает более активное действие на вирусы и другие микроорганизмы, устойчивые по отношению к хлору. Кроме того, озон как сильный окислитель снижает содержание гуминовых веществ, обусловливающих цветность воды, удаляет запахи и привкусы воды.

При наличии в водоисточнике большого количества антропогенных загрязнений применяются специальные методы очистки, к которым относятся озонирование и сорбционная очистка на активных углях. Используются свойства озона окислять органические загрязнения (фенолы, нефтепродукты, пестициды, амины и многие другие) и неорганические соединения железа, марганца, а также сероводород. В результате окисления органических веществ образуются альдегиды, кетоны, кислоты, которые также являются токсичными веществами. Наиболее представительным продуктом озонирования является формальдегид. Однако последующая сорбционная очистка воды на угольных фильтрах существенно уменьшает содержание формальдегида и других токсичных веществ. Проблемы, возникающие при использовании озона, связаны также с его низкой растворимостью в воде, собственной высокой токсичностью и взрывоопасностью.

Сорбционный метод применяется для увеличения степени очистки воды от неорганических и органических загрязнений, а также для удаления продуктов хлорирования и озонирования на заключительном этапе обработки воды. В качестве сорбционных материалов используются активные угли отечественного и зарубежного производства. Применяют два способа использования активных углей: введение порошкообразных активных углей (углевание воды); применение гранулированных и дробленых активных углей в качестве загрузки сорбционных фильтров. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, порошкообразные угли целесообразно применять лишь в периоды кратковременного ухудшения качества воды, в аварийных ситуациях.

В каждом конкретном случае при необходимости использования специальных технологий очистки воды необходимо проведение предпроектных исследований, установление расчетно-конструкционных и технологических параметров, по результатам которых можно обоснованно судить о целесообразности, обоснованности и эффективности их внедрения на данной водоочистной станции.

Следует отметить, что вредные вещества могут поступать и образовываться в воде в процессе ее обработки на стадиях водоподготовки.

Подготовка воды из подземных источников. Качество используемых для водоснабжения подземных вод в основном соответствует нормативным требованиям. Однако загрязнения вместе со сточными водами могут проникать и в водоносные горизонты.

Для подземных вод Западно-Сибирского региона характерно превышение показателей по минерализации, перманганатной окисляемости, а также по содержанию железа, марганца, магния и брома [76]. Основными природными загрязнениями подземных вод являются соединения железа и марганца. Железосодержащие воды в 80…90% случаев содержат бикарбонатные формы (дегидрокарбонаты) железа. Основным методом обезжелезивания воды от бикарбонатных форм является аэрация и фильтрование через зернистые фильтры. Он заключается в пропускании воздуха через воду. При этом протекает реакция окисления двухвалентного железа в трехвалентное:

4Fe²⁺ + 3O₂ + 6H₂O  Fe(OH)₃ .

Образовавшийся осадок гидроксида железа отстаивают, а затем отфильтровывают.

Если железо присутствует в воде в органических формах (обычно в зоне болот и торфянников), для очистки используется известь (доза 40…60 мг/л по СаО). Часто подземные воды содержат железобактерии, которые вызывают биокоррозию водопроводных металлических труб.

Ряд подземных вод характеризуется одновременным содержанием железа и марганца, поэтому возникает необходимость их обезжелезивания и демарганации. Железо и марганец присутствуют в подземных водах в виде минеральных или органических соединений гуминовых и жирных кислот. Разработаны методы удаления железа и марганца, включающие процессы аэрации, фильтрования, обработки сильным окислителем, известкования с коагулированием и др.

Использование подземных вод основывается на исключительно удачном сочетании экологического и экономического факторов. Себестоимость питьевой воды из подземных источников в 3-4 раза ниже, чем из поверхностных. Поэтому необходимо расширять использование подземных вод, интенсифицировать освоение разведанных запасов подземных вод и расширить поисково-разведочные работы по выявлению новых месторождений. Многие подземные источники, особенно обеспечивающие крупные города Центрального, Центрально-Черноземного, Северо-Кавказского и других районов, сильно истощены. Поэтому необходимо осуществлять искусственное пополнение подземных вод.

Гигиенические требования к качеству питьевой воды указаны в СанПиН 2.1.4.1074-01 [78].

• Питьевая вода должна иметь общее микробное число не более 50. Нормируется отсутствие в 100 мл воды колиформных бактерий. Особое внимание в СанПиНе уделено эпидемической безопасности воды в отношении вирусных и паразитарных инфекций. Нормируется отсутствие в 100 мл исследуемой воды колифагов (в бляшкообразующих единицах). Колифаги являются индикаторными организмами на вирусное загрязнение. Нормируется отсутствие в 50 л воды цист лямблий.

• Уровни радиации питьевой воды не должны превышать нормативов по общей -радиоактивности 0,1 Бк/л; общей -радиоактивности 1,0 Бк/л.

• Содержание сухого остатка не должно превышать 1000 мг/л.

• Водородный показатель нормируется пределом значений рН = 6…9.

• Общая жесткость должна быть не более 7 ммоль/л.

• Перманганатная окисляемость питьевой воды должна быть не более 5 мг/л.

• ПДК нефтепродуктов не должна превышать 0,1 мг/л, поверхностно-активных веществ (анионоактивных)  0,5 мг/л, фенолов – 0,25 мг/л.

• В табл. 4.19 приведены показатели вредных веществ питьевой воды. Указаны те вещества, которые наиболее часто встречаются в природных водах и являются распространенными антропогенными загрязнениями.

Таблица 4.19