i j b e h @ ? g b ? f l h ^ u b i h d z a z l e b h q b k ... · title: microsoft word -...

522

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Методы и показатели очистки A5.1 Методы очистки

A5.1.1 Хлорирование

Хлорирование осуществляют путем использования сжиженного газообразного хлора, раствора гипохлорита натрия или гранул гипохлорита кальция и с помощью местных генераторов хлора. Сжиженный газообразный хлор поставляется в герметизированных контейнерах. Газ извлекают из баллонов и дозированно добавляют в воду при помощи хлоратора, который контролирует и измеряет скорость потока газа. Раствор гипохлорита натрия дозируют при помощи объемного электрического дозирующего насоса или системы гравитационной подачи. Гипохлорит кальция сначала необходимо растворить в воде, а затем смешать с водой из магистрального водопровода. Хлор (в форме газообразного хлора из баллона, гипохлорита натрия или гипохлорита кальция) растворяется в воде, образуя хлорноватистую кислоту (HOCl) и гипохлорит-ион (OCl−). Могут использоваться различные методы хлорирования, в том числе хлорирование до точки перелома, хлорирование до заранее установленного количества остаточного хлора и суперхлорирование/дехлорирование. Хлорирование до точки перелома представляет собой метод, при котором доза хлора достаточна для быстрого окисления всего количества аммиачного азота в воде и сохранения надлежащего уровня свободного остаточного хлора для защиты воды от повторного инфицирования в промежутке между пунктом хлорирования и пунктом использования. Суперхлорирование/дехлорирование представляет собой введение большой дозы хлора для обеспечения быстрой дезинфекции и химической реакции с последующим снижением избыточного остаточного уровня свободного хлора. Важно удалить избыточный хлор во избежание проблем, связанных со вкусом воды. Этот метод используют в основном в случае изменчивой бактериальной нагрузки или в случае недостаточного времени пребывания воды в резервуаре. Хлорирование до заранее установленного количества остаточного хлора производится в случае использования запасов воды высокого качества и когда достаточно простого введения дозы хлора для получения желаемого уровня свободного остаточного хлора. Потребность в хлоре в таком случае крайне низка, а точка перелома может не наступать вовсе. Хлорирование проводится в основном для удаления микробного загрязнения. Однако хлор также выступает в качестве окислителя и может удалять или способствовать удалению или химическому превращению некоторых химических веществ – например, разложению таких легкоокисляемых пестицидов, как алдикарб; окислению растворенных веществ (например, марганца (II)) с получением

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. МЕТОДЫ И ПОКАЗАТЕЛИ ОЧИСТКИ

523

нерастворимых продуктов, которые могут быть удалены при последующей фильтрации; и окислению растворенных веществ с образованием форм, которые легче поддаются удалению (например, превращению арсенита в арсенат). К недостаткам хлора относится его способность реагировать с природными органическими веществами с образованием тригалогенметанов и других галогенированных побочных продуктов дезинфекции. Тем не менее процессы образования побочных продуктов можно контролировать путем оптимизации системы очистки. A5.1.2 Озонирование

Озон является сильнодействующим окислителем и находит широкое применение в области очистки воды, включая окисление органических химических веществ. Озон может использоваться в качестве основного дезинфицирующего вещества. Газообразный озон (O3) получают путем пропускания сухого воздуха или кислорода через высоковольтное электрическое поле. Полученный обогащенный озоном воздух вводят непосредственно в воду при помощи пористых диффузоров, расположенных в нижней части перегородчатых контактных резервуаров. В контактных резервуарах (обычно глубиной 5 м) обеспечивается контакт продолжительностью около 10–20 минут. Необходимо добиться растворения не менее 80% подводимого озона, а оставшуюся часть в составе сбросного газа пропускают сквозь деозонатор и выпускают в атмосферу. Показатели озонирования зависят от достижения желаемой концентрации по истечении определенного времени контакта. Для окисления органических химических веществ, таких как некоторые окисляемые пестициды, обычно используют остаточное значение около 0,5 мг/л по истечении времени контакта продолжительностью до 20 минут. Дозы, необходимые для достижения этого показателя, зависят от типа воды, но обычно находятся в диапазоне 2–5 мг/л. Для неочищенной воды необходимы более высокие дозы, учитывая потребности в озоне при наличии природных сопутствующих органических веществ. Озон вступает в реакцию с природными органическими веществами, повышая их биоразлагаемость, определяемую в показателях усваиваемого органического углерода. Во избежание нежелательного роста бактерий в системах распределения озонирование обычно производят с последующей обработкой воды, такой как биологическая фильтрация или использование гранулированного активированного угля (ГАУ), для удаления биоразлагаемых органических веществ, после чего достигают остаточного уровня хлора, поскольку озон не обеспечивает остаточного количества дезинфицирующих веществ. Озон эффективен для разложения широкого спектра пестицидов и других органических химических веществ. A5.1.3 Другие процессы дезинфекции

Другие методы дезинфекции включают хлорирование с аммонизацией, применение двуокиси хлора и ультрафиолетовое облучение, а также альтернативные методы дезинфекции, которые находят применение в меньших масштабах, например для обработки воды в домохозяйствах. Хлорамины (монохлорамин, дихлорамин и трихлорамин, или треххлористый азот) получают в результате реакции водного раствора хлора и аммиака. Монохлорамин является единственным из хлораминов, используемым в качестве дезинфицирующего вещества, а методы, применяемые для хлорирования с аммонизацией, ориентированы только на получение монохлорамина. Монохлорамин

РУКОВОДСТВО ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ КАЧЕСТВА ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

524

является менее эффективным дезинфицирующим веществом, чем свободный хлор, однако он более стойкий и поэтому является приемлемым дезинфицирующим веществом второго ряда для обеспечения устойчивого остаточного уровня в системах распределения. В последние годы используется двуокись хлора, учитывая опасения, связанные с побочными продуктами процесса дезинфекции, возникающими в ходе дезинфекции путем хлорирования. Обычно двуокись хлора получают непосредственно перед применением путем добавления газообразного хлора или водного раствора хлора к водному раствору хлорита натрия. Двуокись хлора разлагается в воде, образуя хлорит и хлорат. Ультрафиолетовое излучение, генерируемое дуговой ртутной лампой низкого или среднего давления, оказывает биоцидное воздействие при длинах волн от 180 до 320 нм. Его можно использовать для инактивации простейших, бактерий, бактериофагов, дрожжевых грибков, вирусов, грибков и водорослей. Препятствовать дезинфекции ультрафиолетовым излучением может мутность. Ультрафиолетовое излучение может являться катализатором реакций окисления при использовании вместе с озоном или перекисью водорода. В настоящее время разрабатываются множество возможных методов дезинфекции, которые обычно находят применение в меньших масштабах, включая системы обработки воды в домохозяйствах в точках использования и в точках входа. Некоторые из таких методов, включая бром и йод, имеют перспективы расширенного применения. Бром и йод являются галогенами наряду с хлором, а также известны своими биоцидными свойствами. Йод обычно используется в течение непродолжительного периода времени, например путешественниками в регионах с сомнительным качеством воды. Некоторые формы серебра могут применяться в качестве антисептических средств или медленнодействующих дезинфицирующих веществ для борьбы с определенными микроорганизмами; тем не менее для количественного определения этого воздействия отсутствуют надежные данные из публикаций, прошедших экспертное рецензирование. Для обеспечения надлежащего руководства относительно возможности более широкого применения этих редко используемых химических средств обработки необходимо провести более тщательный анализ их биоцидной эффективности, потенциальных побочных продуктов дезинфекции и рисков длительного воздействия и условий их применения. A5.1.4 Фильтрация Твердые частицы могут быть удалены из неочищенной воды при помощи скорых безнапорных, горизонтальных, нагнетательных или медленных песочных фильтров. Медленная фильтрация через песок, по сути, является биологическим процессом, в то время как остальные способы относятся к процессам физической обработки. Скорый безнапорный, горизонтальный и нагнетательный фильтры могут применяться для фильтрации неочищенной воды без предварительной обработки. Скорый безнапорный и нагнетательный фильтры обычно используются для фильтрации воды, которая прошла предварительную обработку посредством коагуляции и отстаивания. Одним из альтернативных методов является прямая фильтрация, при которой в воду добавляют коагулянт, после чего воду пропускают непосредственно через фильтр, благодаря чему удаляются осажденные взвешенные вещества (содержащие загрязнители); применение прямой фильтрации ограничено внутренним объемом фильтра, в котором осаждаются твердые частицы.


525

Скорые безнапорные фильтры

Скорые безнапорные песочные фильтры обычно представляют собой открытые прямоугольные резервуары (обычно площадью менее 100 м2) с кварцевым песком (с диаметром частиц 0,5–1,0 мм) и глубиной от 0,6 до 2,0 м. Вода стекает вниз, при этом твердые вещества концентрируются в верхних слоях фильтра. Скорость потока обычно составляет 4–20 м3/(м2 ч). Обработанная вода протекает сквозь сопла и собирается в нижней части фильтра. Скопившиеся твердые частицы периодически удаляют с помощью обратной промывки обработанной водой, а в некоторых случаях песок продувают воздухом. Образуется разбавленный осадок, который необходимо удалить. Помимо песочных фильтров с однокомпонентным наполнителем, применяются фильтры с двухкомпонентным или многокомпонентным наполнителем. В таких фильтрах используются различные материалы, структура которых меняется от крупноразмерной до мелкоразмерной по мере прохождения воды сквозь фильтр. Для разделения различных слоев в случае обратной промывки применяются материалы соответствующей плотности. Типичным примером двухкомпонентного фильтра является антрацитно-песочный фильтр, который обычно состоит из слоя толщиной 0,2 м из частиц антрацита размером 1,5 мм, под которым располагается слой кварцевого песка глубиной 0,6 м. В составе многокомпонентных фильтров могут использоваться антрацит, песок и гранат. К преимуществам фильтров с двухкомпонентным или многокомпонентным наполнителем относится более эффективное использование всей толщины слоя для удерживания частиц – показатель потери давления может быть вдвое меньшим, чем в однокомпонентных фильтрах, что обеспечивает более высокую скорость потока без увеличения показателя потери давления. Скорые безнапорные фильтры чаще всего применяются для удаления взвешенных частиц из коагулированной воды (см. раздел A5.1.6). Их также можно использовать для снижения мутности (в том числе абсорбированных химических веществ) и удаления окисленного железа и марганца из неочищенной воды. Фильтры грубой очистки

Фильтры грубой очистки могут использоваться в качестве предварительных фильтров перед проведением других процессов, например перед использованием медленных песочных фильтров. Фильтры грубой очистки с крупным гравием или дробленым щебнем в качестве наполнителя могут успешно применяться для очистки воды повышенной мутности (> 50 нефелометрических единиц мутности). Основным преимуществом фильтров грубой очистки является то, что при прохождении воды сквозь фильтр частицы удаляются как путем фильтрации, так и путем гравитационного осаждения. Горизонтальные фильтры могут быть длиной до 10 м и эксплуатироваться при скорости фильтрации 0,3–1,0 м3/(м2 ч). Нагнетательные фильтры

Нагнетательные фильтры иногда используются тогда, когда необходимо поддерживать давление, чтобы закачивать воду в систему без использования насоса. Фильтрационный слой расположен в цилиндрическом корпусе. Небольшие нагнетательные фильтры мощностью до 15 м3/ч могут изготавливаться из пластмассы, армированной стеклом. Более крупные нагнетательные фильтры диаметром до 4 м изготавливают из стали со специальным покрытием. Эксплуатация и показатели эффективности в целом соответствуют описанным характеристикам скорого


526

безнапорного фильтра, также необходимо аналогичное оборудование для обратной промывки и удаления разбавленного осадка. Медленные песочные фильтры

Медленные песочные фильтры обычно представляют собой резервуары с песком (с эффективным диаметром 0,15–0,3 мм) глубиной от 0,5 до 1,5 м. Неочищенная вода стекает вниз, при этом помутнение и микроорганизмы удаляются преимущественно в верхних слоях песка толщиной несколько сантиметров. На поверхности фильтра формируется биологически активный слой, известный как schmutzdecke ("защитное покрытие"), который эффективно удаляет микроорганизмы. Обработанную воду собирают в системе поддержания фильтрующей среды или в трубопроводах в нижней части фильтра. Верхние несколько сантиметров песка, где скапливаются твердые вещества, периодически удаляют и заменяют. Медленные песочные фильтры работают при скорости потока воды от 0,1 до 0,3 м3/(м2 ч). Медленные песочные фильтры в большей степени пригодны для воды с низкой мутностью или для предварительно отфильтрованной воды. Их используют для удаления водорослей и микроорганизмов, включая простейших, а также для снижения мутности (в том числе абсорбированных химических веществ), если проведена предварительная фильтрация воды посредством микрофильтрации или грубой фильтрации. Медленные песочные фильтры эффективно удаляют некоторые органические вещества, включая определенные пестициды и аммиак. Береговая фильтрация

Береговая фильтрация представляет собой процесс проникновения поверхностных вод в подземные воды через дно и берега поверхностного водного объекта. Обычно этот процесс обеспечивается путем забора воды из скважин, расположенных вблизи поверхностного источника воды. Это относительно простой и недорогой способ удаления твердых частиц и микроорганизмов из поверхностных вод при помощи размещения насосных скважин в аллювиальных отложениях или на берегах потока. Отложения выступают одновременно в качестве фильтра и биофильтра, улавливая микроорганизмы и многие органические загрязняющие вещества и снижая их концентрацию. Скважины береговой фильтрации могут быть горизонтальными или вертикальными в зависимости от гидрогеологических условий и необходимой нормы водосбора. Горизонтальные скважины часто используют в местах мелких аллювиальных отложений или если необходимо обеспечить высокую скорость закачки. Береговая фильтрация позволяет удалять частицы, бактерии, вирусы, паразитов, тяжелые металлы и свободно биоразлагаемые соединения. Береговая фильтрация позволяет снижать пиковую концентрацию, обеспечивая однородность качества неочищенной воды, подаваемой для последующей обработки. Эффективность береговой фильтрации может в значительной степени зависеть от нескольких факторов, включая грунтово-геологические условия, а также качество источника воды. Береговые фильтры могут засоряться, что ведет к спаду давления. Для определения наличия надлежащих геологических условий, а также расчета показателей эффективности и эксплуатационных параметров проводят исследования конкретного источника. A5.1.5 Аэрация Процессы аэрации используются для удаления газов и летучих соединений путем отгонки воздухом. Аэрация обычно проводится при помощи простого каскада или диффузии воздуха в воде, при этом нет необходимости в использовании сложного


527

оборудования. Тем не менее для отгонки газов и летучих соединений может понадобиться специализированная установка, обеспечивающая высокую степень массопереноса из жидкой фазы в газообразную. Каскадные или ступенчатые аэраторы спроектированы таким образом, что вода протекает тонким слоем, обеспечивая эффективный массоперенос. Каскадная аэрация может вести к существенной потере давления; проектные требования для обеспечения нагрузки 10–30 м3/(м2 ч) находятся в диапазоне от 1 до 3 м. В качестве альтернативы через систему подводных перфорированных труб может подаваться сжатый воздух. Аэраторы этого типа применяются для окисления и осаждения железа и марганца. Отгонка воздухом может использоваться для удаления летучих органических веществ (например, растворителей), некоторых соединений, придающих вкус и запах, а также радона. Процессы аэрации путем отгонки воздухом должны быть более сложными, чтобы между воздухом и водой обеспечивался необходимый контакт. Чаще всего применяется метод каскадной аэрации – обычно в насадочных башнях, в которых вода протекает тонким слоем над пластмассовым наполнителем под воздействием продутого воздухом противотока. Требуемые высота и диаметр башни зависят от летучести и концентрации подлежащих удалению соединений и скорости потока. Повышение содержания растворенного в воде кислорода может увеличивать ее корродирующее воздействие на некоторые металлические материалы, используемые в распределительных трубах и водопроводных системах, что следует учитывать при использовании аэрации в качестве процесса очистки. A5.1.6 Химическая коагуляция Очистка методом химической коагуляции является наиболее распространенным подходом к очистке поверхностных вод и практически всегда основывается на следующих типовых процессах. Химические коагулянты, обычно соли алюминия или железа, дозированно вносят в неочищенную воду в контролируемых условиях для получения твердого хлопьевидного гидроксида металла. Стандартные дозы коагулянта составляют 2–5 мг/л для алюминия или 4–10 мг/л для железа. Выпадающий хлопьевидный осадок удаляет взвешенные и растворенные загрязняющие вещества путем компенсации заряда, адсорбции и захвата. Эффективность процесса коагуляции зависит от качества неочищенной воды, используемых коагулянтов или коагулирующих агентов и эксплуатационных характеристик, включая условия смешивания, дозу коагулянта и значение pH. Хлопьевидный осадок удаляется из обработанной воды в ходе последующих процессов разделения на твердую и жидкую фазы, включая осаждение или флотацию и/или скорую, напорную или безнапорную фильтрацию. Эффективность процесса коагуляции зависит от подбора оптимальной дозы коагулянта, а также значения pH. Необходимую дозировку и кислотность можно определить при помощи серийных маломасштабных коагуляционных проб, которые часто называют "опытом в склянке". К пробам неочищенной воды добавляют все возрастающие дозы коагулянта, после чего пробы перемешивают и осаждают. В качестве оптимальной выбирают дозировку, которая обеспечивает надлежащее устранение цветности и мутности; оптимальное значение pH подбирают аналогичным образом. Такие испытания необходимо проводить достаточно часто, с тем чтобы отслеживать изменения качества неочищенной воды и, соответственно, потребностей в коагулянте. В процессе коагуляции можно добавлять порошковый активированный уголь (ПАУ) для адсорбции органических химических веществ, таких как некоторые


528

гидрофобные пестициды. Затем ПАУ в составе хлопьевидного осадка удаляют и выводят вместе с осадком из системы водоснабжения. Хлопьевидный осадок можно удалить путем осаждения, что позволит снизить нагрузку по твердым веществам на последующие скорые безнапорные фильтры. Чаще всего осаждение проводят в отстойниках с горизонтальным потоком или с взвешенным слоем. В качестве альтернативы хлопьевидный осадок можно удалить при помощи флотации растворенным воздухом, в ходе которой твердые вещества контактируют с мелкими пузырьками воздуха, которые прилипают к хлопьевидному осадку, что заставляет их всплывать к поверхности резервуара, откуда их периодически удаляют в качестве осадочного слоя. Обработанную воду, полученную в результате любого из этих процессов, пропускают затем сквозь скорые безнапорные фильтры (см. раздел A5.1.4), где происходит удаление остаточных твердых веществ. Далее отфильтрованная вода может поступать на следующие этапы обработки, включающие дополнительное окисление и фильтрацию (для удаления марганца), озонирование и/или адсорбцию ГАУ (для удаления пестицидов и других следовых количеств органических соединений), после чего обработанную воду дезинфицируют на финальном этапе обработки перед подачей в водопроводную систему. Коагуляция пригодна для удаления взвешенных частиц и сопутствующих микроорганизмов, некоторых тяжелых металлов и низкорастворимых органических химических веществ, таких как некоторые органохлоридные пестициды. В отношении других органических химических веществ коагуляция обычно неэффективна, за исключением случаев, когда химические вещества связаны с гуминовым материалом или адсорбированы взвешенными частицами. A5.1.7 Адсорбция активированным углем

Активированный уголь получают в процессе контролируемой температурной обработки углеродсодержащего материала – обычно дерева, угля, кокосовой скорлупы или торфа. В результате такой активации образуется пористый материал с большой площадью поверхности (500–1500 м2/г) и высокой аффинностью в отношении органических соединений. Его обычно используют в порошковой (ПАУ) или гранулированной (ГАУ) форме. При истощении адсорбционной способности угля его повторно активируют посредством контролируемого выжигания органических веществ. Тем не менее ПАУ (и некоторые виды ГАУ) обычно используют только один раз, а затем утилизируют. Разные виды активированного угля обладают разной аффинностью в отношении разных видов загрязнителей. Выбор между ПАУ и ГАУ зависит от относительной экономической эффективности, периодичности использования и необходимой дозы. В целом ПАУ предпочтительнее использовать в случае сезонных или периодических загрязнений либо в случаях, когда требуются малые дозы материала. ПАУ вносят в воду в форме суспензии, а удаляют в процессе последующей обработки вместе с осадком из водопроводной системы. Таким образом, его используют только на станциях очистки поверхностных вод, где уже имеются фильтры. Использование ГАУ в адсорберах с неподвижным слоем намного эффективнее, чем введение в воду ПАУ, а показатели использования угля на единицу объема обработанной воды гораздо ниже по сравнению с дозой ПАУ, необходимой для достижения той же степени удаления. ГАУ применяют для контроля вкуса и запаха. Обычно его используют в виде неподвижных слоев в специально построенных адсорберах для химических веществ или в корпусах имеющихся фильтров в качестве замены песка частицами ГАУ аналогичного размера. Хотя на большинстве водоочистных станций дешевле


529

модифицировать имеющиеся фильтры, чем строить отдельные адсорберы, применение уже имеющихся фильтров обычно обеспечивает лишь непродолжительное время контакта, а реактивация сопряжена со сложностями. Поэтому распространенной практикой является установка дополнительных адсорберов ГАУ (в некоторых случаях с предварительным этапом озонирования) между скорыми безнапорными фильтрами и пунктом окончательной дезинфекции. Большинство источников подземных вод не оснащено фильтрами, поэтому возникает необходимость в установке отдельных адсорберов. Срок службы слоя ГАУ зависит от адсорбционной способности используемого угля и времени контакта между водой и углем и времени контакта частиц с водой, которое определяется скоростью потока воды. Время контакта частиц с водой обычно находится в диапазоне 5–30 минут. Адсорбционная способность ГАУ в отношении определенных органических соединений варьируется в широких пределах, что может оказывать существенное влияние на срок службы ГАУ. Представление об адсорбционной способности можно получить из опубликованных изотермических данных. Адсорбционная способность угля в значительной степени зависит от источника воды и существенно уменьшается в присутствии фоновых органических соединений. На адсорбционную способность активированного угля влияют такие свойства химических веществ, как растворимость в воде и коэффициент распределения в системе октанол – вода. Как правило, хорошо адсорбируются химические вещества с низкой растворимостью и высоким коэффициентом распределения в системе октанол – вода. Активированный уголь используют для удаления пестицидов и других органических химических веществ, соединений, придающих вкус и запах, цианобактериальных токсинов, а также для снижения общего содержания органического углерода. A5.1.8 Ионный обмен

Ионный обмен представляет собой процесс, в ходе которого происходит обмен ионами с одноименным зарядом между водной фазой и твердой фазой смолы. Умягчение воды достигается при помощи катионного обмена. Воду пропускают через слой катионной смолы, при этом ионы кальция и магния в воде замещаются ионами натрия. После истощения смолы, применяемой для ионного обмена (то есть обеднения ионами натрия), ее регенерируют при помощи раствора хлорида натрия. Для умягчения воды также используют процесс, именуемый выщелачиванием. Воду пропускают через слой слабокислой смолы, и ионы кальция и магния замещаются ионами водорода. Ионы водорода вступают в реакцию с карбонат-ионами и бикарбонат-ионами, в результате чего образуется углекислый газ. Таким образом, жесткость воды снижается без повышения уровня натрия. Анионный обмен можно использовать для удаления таких загрязнителей, как нитраты, фтор, арсенаты и уран (в форме уранил-аниона), которые замещаются хлоридом. В этих целях используется ряд соответствующих смол. Ионообменная установка обычно состоит из двух или нескольких слоев смолы в герметичных отсеках с системой соответствующих насосов, трубопроводов и вспомогательного регенерационного оборудования. Герметичные отсеки обычно имеют диаметр до 4 м и содержат слой смолы толщиной 0,6–1,5 м. Катионный обмен можно использовать для удаления определенных тяжелых металлов. К потенциальным областям применения анионной смолы, помимо удаления нитратов, относится удаление соединений мышьяка и селена.


530

A5.1.9 Мембранные процессы

К мембранным процессам, имеющим наиболее важное значение для обработки воды, относятся обратный осмос, ультрафильтрация, микрофильтрация и нанофильтрация. Эти процессы традиционно применяли при производстве воды для промышленных и фармацевтических целей, однако в настоящее время они также находят применение и для обработки питьевой воды. Процессы высокого давления

При разделении двух растворов полупроницаемой мембраной (то есть мембраной, обеспечивающей пропускание растворителя, но не растворенного вещества) растворитель естественным образом проходит из раствора с низкой концентрацией в раствор с высокой концентрацией. Этот процесс называется осмос. Тем не менее можно заставить поток растворителя протекать в противоположном направлении, из раствора с высокой концентрацией в раствор с низкой концентрацией, путем повышения давления на раствор с высокой концентрацией. Необходимый перепад давления называют осмотическим давлением, а процесс называют обратным осмосом. Обратный осмос позволяет получить поток обработанной воды и относительно концентрированный поток отходов. Обычно рабочее давление находится в диапазоне 15–50 бар в зависимости от области применения. Обратный осмос позволяет отделять одновалентные ионы и органические вещества с молекулярной массой более 50 дальтон (диаметр пор мембраны составляет менее 0,002 мкм). Чаще всего обратный осмос применяется для опреснения солоноватых вод и морской воды. В процессе нанофильтрации используется мембрана со свойствами, занимающими промежуточное положение между свойствами мембран обратного осмоса и ультрафильтрации; диаметр пор обычно составляет 0,001–0,01 мкм. Мембраны нанофильтрации пропускают одновалентные ионы, например ионы натрия или калия, но не пропускают большую часть двухвалентных ионов, таких как ионы кальция и магния, а также некоторые из органических веществ с большей молекулярной массой. Обычно рабочее давление составляет примерно 5 бар. Нанофильтрация эффективна для удаления окрашивающих органических соединений. Процессы низкого давления

Принцип ультрафильтрации аналогичен принципу обратного осмоса, однако мембраны имеют поры с намного большим диаметром (обычно 0,002–0,03 мкм), а процесс проходит под более низким давлением. В процессе ультрафильтрации мембраны не пропускают органические молекулы с молекулярной массой более 800 дальтон, а процесс обычно проходит под давлением менее 5 бар. Микрофильтрация представляет собой прямое продолжение обычной фильтрации, но в субмикронном диапазоне. Мембраны для микрофильтрации обычно имеют поры с диаметром в диапазоне 0,01–12 мкм и производят не разделение молекул, а удаление коллоидных и взвешенных веществ под рабочим давлением 1–2 бар. Микрофильтрация позволяет отсеивать частицы размером более 0,05 мкм. Она используется для обработки воды в сочетании с коагуляцией или ПАУ в целях удаления взвешенных частиц и некоторых форм растворенного органического углерода до подачи на мембраны обратного осмоса, а также в целях повышения удельной производительности мембран.


531

A5.1.10 Другие процессы обработки

Процессы, направленные на получение гидроксильных радикалов, известны под общим названием "передовые технологии окисления" и эффективны при уничтожении химических веществ, которые с трудом поддаются обработке с помощью других методов, таких как использование только одного озона. Источником гидроксильных радикалов также является перекись водорода под воздействием ультрафиолетового излучения. Химические вещества могут вступать в реакцию непосредственно с молекулярным озоном или гидроксильным радикалом (HO·), который является продуктом разложения озона в воде и мощным неизбирательным окислителем, вступающим в реакцию со многими органическими химическими веществами. Образованию гидроксильных радикалов может способствовать использование озона при высоких значениях pH. Одна из передовых технологий окисления с использованием озона или ультрафиолетового излучения в присутствии перекиси водорода предусматривает одновременное введение перекиси водорода и озона в дозировке около 0,4 мг перекиси водорода на литр на один миллиграмм озона на литр (теоретически оптимальный показатель для получения гидроксильных радикалов) и бикарбоната. К другим процессам обработки, которые могут использоваться для определенных целей, относятся: умягчение воды путем осаждения (добавление извести, извести и карбоната

натрия или гидроксида натрия для снижения жесткости при высоких значениях pH);

умягчение путем ионного обмена; биологическая денитрификация в целях удаления нитратов из поверхностных

вод; биологическая нитрификация в целях удаления аммиака из поверхностных вод; активированный глинозем (или другие адсорбенты) для специальных целей,

например в целях удаления фтора и мышьяка.

РУКОВО

ДСТВО

ПО

ОБЕС

ПЕЧЕН

ИЮ

КАЧЕСТВА П

ИТЬЕВО

Й ВО

ДЫ

532

A5.2 Эффективность обработки/очистки для химических веществ, в отношении которых были установлены нормативные величины

Эффективность обработки/очистки для химических веществ, в отношении которых были установлены нормативные величины, приводятся в таблицах А5.1–А5.5 Таблица A5.1. Эффективность обработки/очистки для природных химических веществ, в отношении которых были установлены нормативные

величиныa,b

Хлорирование Коагуляция Ионный обмен

Умягчение путем

осаждения Активированный

глинозем Активированный

уголь Озонирование Мембраны

Мышьякc ++ < 0,005

+++ < 0,005

++ < 0,005

+++ < 0,005

+++d

< 0,005

Фтор ++

+++ <1

+++ <1

Селен ++ +++ < 0,01

+++ < 0,01

+++ < 0,01

Уран ++ +++ < 0,001

++ +++ < 0,001

a Расшифровка символов: ++ удаление 50% или более; +++ удаление 80% или более. b В таблицу включены химические вещества, по которым имеются соответствующие данные об обработке. Пустое поле таблицы указывает на полную неэффективность процесса или

на отсутствие данных об эффективности процесса. Для наиболее эффективных процессов в таблице приводится оценка концентрации химического вещества (в мг/л), достижимая для идеальной воды.

c Наполнители на основе оксида железа и гидроксида железа продемонстрировали высокую эффективность в отношении как арсената, так и арсенита. d Мембраны обратного осмоса более эффективны для удаления арсената, чем арсенита. Между тем арсенит легко окисляется до арсената под воздействием дезинфицирующих

веществ (например, хлора).

ПРИ

ЛОЖ

ЕНИ

Е 5. МЕТО

ДЫ И

ПО

КАЗАТЕЛИ О

ЧИС

ТКИ

533

Таблица A5.2. Эффективность обработки/ очистки для химических веществ из промышленных источников и жилищ человека, в отношении которых были установлены нормативные величиныa,b

Отгонка

воздухом Коагуляция Ионный обмен


осаждения

Активиро- ванный уголь

Озониро- вание

Передовые технологии окисления Мембраны

Биологи- ческая

обработкаc

УФ-облуче-

ние

Кадмий +++ < 0,002

+++ < 0,002

+++ < 0,002

+++ < 0,002

Ртуть +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

+++ < 0,0001

+++ < 0,0001

Бензол +++ < 0,01

+++ < 0,01

+++ < 0,01

Даd

Тетрахлорид углерода

+++ < 0,001

+++ < 0,001

+

1,2-дихлорбензол +++ < 0,01

+++ < 0,01

+++ < 0,01

Даd

1,4-дихлорбензол +++ < 0,01

+++ < 0,01

+++ < 0,01

Даd

1,2-дихлорэтан +++ +++ <0,01

+

1,2-дихлорэтен +++ < 0,01

+++ < 0,01

+++ < 0,01

1,4-диоксан + +++ 0,05

Эдетовая кислота +++ < 0,01

Этилбензол ++ < 0,001

+ +++ < 0,001

+++ < 0,001

++ + ++

Гексахлорбутадиен +++ < 0,001

+

Нитрилотриуксусная кислота

++ ++

N-нитрозодиметиламин

+ ++ +

РУКОВО

ДСТВО

ПО

ОБЕС

ПЕЧЕН

ИЮ

КАЧЕСТВА П

ИТЬЕВО

Й ВО

ДЫ

534

Отгонка



осаждения

Активиро- ванный уголь

Озониро- вание


Биологи- ческая

обработкаc

УФ-облуче-

ние

Пентахлорфенол +++ < 0,0004

++

Стирол +++ < 0,02

+++ < 0,002

++ + +

Тетрахлорэтилен +++ < 0,001

+++ < 0,001

+

Толуол +++ < 0,001

+++ < 0,001

+++ < 0,001

+++e

< 0,001 ++

< 0,001

Трихлорэтилен +++ < 0,02

+++ < 0,02

+++ < 0,02

+++e

< 0,02

Ксилолы +++ < 0,005

+++ < 0,005

+++e < 0,005

++

a Расшифровка символов: + удаление в ограниченном количестве; ++ удаление 50% или более; +++ удаление 80% или более. b В таблицу включены химические вещества, по которым имеются соответствующие данные об обработке. Пустое поле таблицы указывает на полную неэффективность процесса или


c К биологической обработке относятся медленная фильтрация через песок и береговая фильтрация. d "Да" указывает на известную или возможную эффективность при отсутствии количественного измерения показателей. e Метод может быть эффективным, однако из-за затрат, скорее всего, будут применены другие методы.

ПРИ

ЛОЖ

ЕНИ

Е 5. МЕТО

ДЫ И

ПО

КАЗАТЕЛИ О

ЧИС

ТКИ

535

Таблица A5.3. Эффективность обработки/очистки для химических веществ в сельскохозяйственной деятельности, в отношении которых были установлены нормативные величиныa,b

Хлорирование Отгонка


Активированный уголь Озонирование


Биологическая обработкаc

Нитрат +++ < 5

+++ < 5

+++ < 5

Нитрит +++ < 0,1

+ +++

Алахлор +++ < 0,001

++ +++ < 0,001

+++ < 0,001

Алдикарб +++ < 0,001

+++ < 0,001

+++ < 0,001

Альдрин/дильдрин + +++ < 0,00002

++ < 0,00002

+++ < 0,00002

Атразин и его хлор-s-триазиновые метаболиты

+ +++ < 0,0001

Даd +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

+++e < 0,0001

Карбофуран + +++ < 0,001

Даd +++ < 0,001

Хлордан +++ < 0,0001

++ < 0,0001

Даd

Хлортолурон +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

Цианазин +++ < 0,0001

+ +++ < 0,0001

2,4-D +++ < 0,001

+++ < 0,001

Даd

1,2-дибром-3-хлорпропан ++ < 0,001

+++ < 0,0001

1,2-дибромэтан +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

1,2-дихлорпропан Да +++ < 0,001

+

Диметоат +++ < 0,001

++ ++

РУКОВО

ДСТВО

ПО

ОБЕС

ПЕЧЕН

ИЮ

КАЧЕСТВА П

ИТЬЕВО

Й ВО

ДЫ

536

Хлорирование Отгонка


Активированный уголь Озонирование


Биологическая обработкаc

Эндрин + +++ < 0,0002

Даd

Гидроксиатразин +++ < 0,001

Даd

Изопротурон ++ +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

+++ < 0,0001

+++ < 0,0001

+

Линдан +++ < 0,0001

++ Даd ++

МХФУК +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

Даd

Мекопроп +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

+++ <0,0001

Метоксихлор ++ +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

Даd

Метолахлор +++ <0,0001

++ Даd ++

Симазин +++ < 0,0001

++ +++ < 0,0001

+++ < 0,0001

2,4,5-T +++ < 0,001

Даd

Тербутилазин + +++ < 0,0001

++

Трифторалин +++ < 0,0001

+++f < 0,0001

a Расшифровка символов: + удаление в ограниченном количестве; ++ удаление 50% или более; +++ удаление 80% или более. b В таблицу включены химические вещества, по которым имеются соответствующие данные об обработке. Пустое поле таблицы указывает на полную неэффективность процесса или


c К биологической обработке относятся медленная фильтрация через песок, береговая фильтрация и биологическая денитрификация (в целях удаления нитратов). d "Да" указывает на известную или возможную эффективность при отсутствии количественного измерения показателей. e Для береговой фильтрации; медленная фильтрация через песок неэффективна. f Метод может быть эффективным, однако из-за затрат, скорее всего, будут применены другие методы.

ПРИ

ЛОЖ

ЕНИ

Е 5. МЕТО

ДЫ И

ПО

КАЗАТЕЛИ О

ЧИС

ТКИ

537

Таблица A5.4. Эффективность обработки/очистки для пестицидов, используемых в воде в медико-санитарных целях, в отношении которых были установлены нормативные величиныa,b

Хлорирование Коагуляция Активированный

уголь Озонирование


ДДТ и метаболиты +

+++

< 0,0001

+ +++c

< 0,0001

+++c

< 0,0001

a Расшифровка символов: + удаление в ограниченном количестве; +++ удаление 80% или более. b Для наиболее эффективных процессов в таблице указана концентрация химического вещества (в мг/л), которая должна быть достигнута. c Метод может быть эффективным, однако из-за затрат, скорее всего, будут применены другие методы.

Таблица A5.5. Эффективность оюработки/очистки для цианобактериальных клеток и цианотоксинов, в отношении которых были установлены нормативные величиныa,b,c

Хлорирование Коагуляция Активированный

уголь Озонирование


Биологическая обработкаd

Цианобактериальные клетки +++ +++

Цианотоксины +++ +++ +++ +++ +++

a Хлорирование или озонирование могут быть малоэффективными в отношении цианотоксинов. b +++ = удаление 80% или более. c В таблицу включены только те химические вещества, по которым имеются соответствующие данные об обработке. Пустое поле таблицы указывает на полную неэффективность

процесса или на отсутствие данных об эффективности процесса. d К биологической обработке относятся медленная фильтрация через песок и береговая фильтрация.


538

A5.3 Коррозия металлов, используемых в системах очистки воды и водораспределения

A5.3.1 Латунь

Основной проблемой в связи с коррозией латуни является обесцинкование, то есть селективное растворение цинка, входящего в состав двухфазной латуни, в результате чего медь превращается в пористую массу, обладающую низкой механической прочностью. Обесцинкование с образованием пористой массы, при котором на поверхности латуни образуется объемный продукт коррозии – основной карбонат цинка, в значительной степени зависит от соотношения между хлоридом и щелочностью. Обесцинкование с образованием пористой массы можно контролировать путем поддержания низкого соотношения между цинком и медью (1:3 или ниже) и обеспечения значения pH на уровне ниже 8,3. Также может наблюдаться растворение латуни в целом, в результате чего в воду попадают металлы, в том числе свинец. При высокой скорости движения воды может наблюдаться ударная коррозия, которая приводит к формированию хрупких слоев продукта коррозии и повышению содержания в воде растворенного или захваченного воздуха. A5.3.2 Бетон и цемент

Бетон представляет собой композитный материал, который состоит из вяжущего цемента с включением инертного заполнителя. Цемент является преимущественно смесью силикатов кальция и алюминатов с некоторым количеством свободной извести. Цементный раствор, в состав которого в качестве заполнителя входит мелкозернистый песок, применяется в качестве защитного покрытия для железных и стальных водопроводных труб. В асбестоцементных трубах заполнителем является асбестовое волокно, которое не представляет опасности для питьевой воды (также см. фактические данные по асбесту в главе 12). Цемент подвержен разрушению при длительном воздействии воды, содержащей коррозийные вещества, вследствие растворения извести и других растворимых соединений или в связи с химическим воздействием таких агрессивных ионов, как хлор-ионы или сульфат-ионы, что может приводить к структурным повреждениям. Выщелачивание извести из недавно установленных цементных конструкций приводит к повышению значения pH, щелочности и жесткости. Цемент содержит ряд металлов, которые могут выщелачиваться в воду. Коррозийное воздействие на цемент связано с таким показателем, как "коррозионная активность", который используется для оценки вероятности растворения бетона. Коррозию цемента необходимо контролировать при значении pH на уровне 8,5 или выше. A5.3.3 Медь

Коррозия медных труб и баков-аккумуляторов горячей воды может приводить к окрашиванию воды в синий цвет, формированию синих или зеленых пятен на санитарно-техническом оборудовании, а в некоторых случаях вызывать проблемы, связанные со вкусом воды. Медные трубы могут подвергаться общей, ударной и точечной коррозии. Общая коррозия наиболее часто наблюдается в случае мягких кислых вод; вода с уровнем pH ниже 6,5 и жесткостью менее 60 мг карбоната кальция на литр является крайне агрессивной для меди. Как и свинец, медь может поступать в воду вследствие растворения продукта коррозии – основного карбоната меди. Растворимость в основном является функцией величины pH и общего содержания неорганического


539

углерода. Растворимость уменьшается с ростом значения pH, но увеличивается с ростом концентрации карбонатных соединений. Повышение уровня pH до 8–8,5 является стандартным способом решения этих проблем. Ударная коррозия является результатом высокой скорости воды и усиливается в мягкой воде с высокой температурой и низким значением pH. Точечная коррозия меди обычно наблюдается в жестких подземных водах с концентрацией углекислого газа выше 5 мг/л и высоким содержанием растворенного кислорода. Для подавления коррозии меди в таких случаях используют фосфаты. Точечная коррозия также может наблюдаться и в случае поверхностных вод, имеющих органическое окрашивание. Медные трубы могут подвергаться точечной коррозии, что приводит к локальной язвенной коррозии, которая ведет к перфорации труб с незначительной потерей металла. Существует два основных типа такой коррозии. Точечная коррозия первого типа характерна для систем холодного водоснабжения (с температурой ниже 40 °C) и связана, в частности, с жесткими скважинными водами и наличием углеродной пленки в канале трубы, формирующейся в процессе изготовления. Трубы, у которых углеродная пленка была удалена путем очистки, не подвержены точечной коррозии первого типа. Точечная коррозия второго типа характерна для систем горячего водоснабжения (с температурой выше 60 °C) и наблюдается в случае мягких вод. Большая часть проблем, связанных с общей и точечной коррозией, характерна для новых труб, в которых еще не образовался защитный оксидный слой. Такие показатели осаждений карбоната кальция, как индексы Ланжелье и Ризнара, не являются надежными прогностическими параметрами для коррозии медных трубопроводных систем. A5.3.4 Железо

Железо (литое или ковкое) часто используется в водопроводных системах распределения, и его коррозия является важной проблемой. Хотя структурные разрушения в результате коррозии железа встречаются редко, в результате чрезмерной коррозии железных труб могут возникать проблемы с качеством воды (например, ржавая вода). Коррозия железа представляет собой сложный процесс, который связан с окислением металла, обычно под воздействием растворенного кислорода, и ведет к образованию осадка оксида железа (III). Это приводит к образованию бугорков на поверхности труб. Основными показателями качества воды, от которых зависит образование защитного слоя окалины из осадка, являются уровень pH и щелочность. На коррозию железа также оказывают влияние концентрации кальция, хлорида и сульфата. Успешный контроль коррозии железа достигается путем поддержания уровня pH в диапазоне 6,8–7,3, жесткости и щелочности на уровне не менее 40 мг/л (по карбонату кальция), перенасыщения карбонатом кальция на уровне 4–10 мг/л и поддержания отношения щелочности к уровню хлорида и сульфата не менее 5 (оба вещества выражены в пересчете на карбонат кальция). Силикаты и полифосфаты часто относят к "ингибиторам коррозии", однако не факт, что они гарантируют защиту от коррозии в водопроводных системах распределения. Тем не менее они могут связывать растворенное железо (в форме оксида железа (II)) и препятствовать его осаждению в форме видимой ржавчины. Эти соединения могут скорее маскировать последствия коррозии, чем предотвращать ее. Потенциальными ингибиторами коррозии являются ортофосфаты, и они, так же как и полифосфаты, используются для профилактики появления ржавой воды.


540

A5.3.5 Свинец

Коррозия свинца (растворимость свинца) вызывает особую обеспокоенность. В некоторых странах в старых домах до сих пор используются свинцовые трубы, свинцовый припой широко применяется для соединения медных труб, а латунная арматура может содержать значительное количество свинца. Оцинкованные железные трубы могут накапливать свинец из воды и позднее выделять его в форме взвешенных частиц. Растворимость свинца зависит от образования карбонатов свинца в форме отложений в трубах. Там, где это возможно, свинцовые трубы необходимо заменять. Свинец также может выщелачиваться из припоя на основе свинца, а также из латунной и бронзовой арматуры. Растворимость солей свинца, связанных с коррозией, резко возрастает с увеличением или снижением значения pH относительно показателя 8,3 вследствие существенного сокращения равновесной концентрации карбоната. Таким образом, растворимость свинца стремится к максимальному уровню в воде с низким уровнем pH и низкой щелочностью, поэтому до замены труб в качестве полезной промежуточной меры контроля (барьерные или защитные меры, препятствующие загрязнению) можно повысить уровень pH до 8,0–8,5 после хлорирования воды перед ее распределением. Эффективно снижают растворимость свинца ортофосфаты и другие фосфаты. Концентрация свинца растет по мере увеличения времени пребывания воды в свинцовой трубе. В качестве промежуточной меры по снижению воздействия свинца можно использовать промывание труб перед забором воды для потребления. Для промывания системы можно использовать душ, ванну или смыв в туалете. Скорость коррозии свинца может увеличиваться, если свинец используется в сочетании с медью. Скорость гальванической коррозии выше скорости обычной окислительной коррозии, а концентрации свинца не ограничиваются растворимостью продуктов коррозии. Скорость гальванической коррозии в основном зависит от концентрации хлора. Гальваническую коррозию сложнее контролировать, однако ее можно уменьшить путем введения цинка в сочетании с ортофосфатом, а также путем регулирования уровня pH. Меры по снижению растворимости свинца обычно предусматривают регулирование уровня pH. В случае слишком мягкой воды (концентрация карбоната кальция менее 50 мг/л) оптимальное значение pH составляет около 8,0–8,5. В противном случае более эффективной мерой может оказаться введение ортофосфорной кислоты или ортофосфата натрия, особенно если растворимость свинца отмечается в некислой воде. Связанные с осаждением карбоната кальция показатели, такие как индексы Ланжелье и Ризнара, не являются надежными прогностическими параметрами для коррозии в случае свинца. A5.3.6 Никель

Содержание никеля в воде может расти вследствие выщелачивания никеля из новых кранов с хромоникелевым покрытием. Изначально низкие концентрации могут также увеличиваться вследствие использования труб и арматуры из нержавеющей стали. С течением времени скорость выщелачивания никеля снижается. Снизить выщелачивание никеля можно также путем повышения уровня pH в целях борьбы с коррозией других материалов. A5.3.7 Цинк

Использование оцинкованных труб ведет к выделению цинка (из слоя покрытия), а также может приводить к выщелачиванию кадмия и свинца. Коррозия может


541

представлять собой серьезную проблему в случае подсоединении труб из оцинкованной стали или железа к кранам и арматурам из таких неоднородных материалов, как латунь. Растворимость цинка в воде является функцией величины pH и общей концентрации неорганического углерода; растворимость основного карбоната цинка снижается по мере роста значения pH и концентрации карбонатных соединений. В случае низкощелочной воды увеличение уровня pH до 8,5 является достаточной мерой для контроля растворимости цинка. При использовании оцинкованного железа слой цинка на начальном этапе защищает сталь, поскольку именно он подвергается коррозии в первую очередь. В долгосрочной перспективе образуется защитный слой из основного карбоната цинка; тем не менее в оцинкованных трубах также происходит бесконтрольное осаждение и засорение. По последним данным, свинец может накапливаться на оцинкованных трубах в форме частиц, а затем снова переходить во взвешенное состояние под воздействием таких механических нагрузок, как гидравлический удар. Защитные отложения не образуются в мягкой воде, где щелочность составляет менее 50 мг/л по карбонату кальция, или в воде с высокой концентрацией углекислого газа (выше 25 мг/л), поэтому оцинкованная сталь для такой воды не подходит. При подсоединении труб или арматуры из оцинкованной стали или железа к медным трубам или латунной арматуре может наблюдаться электролитическая коррозия.

i j b e h @ ? g b ? f l h ^ u b i h d z a z l e b h q b k ... · title: microsoft word -...

Documents