Теоретическое обоснование. Методы обработки воды, с помощью которых достигается доведение ее качества до

Методы обработки воды, с помощью которых достигается доведение ее качества до требований СанПиН 2.1.4.1074-01, зависят от качества исходной воды водоисточников и подразделяются на основные и специальные.

Основными способами являются:

• осветление;

• обесцвечивание;

• обеззараживание.

Осветление и обесцвечивание - это устранение из воды взвешенных веществ и окрашенных коллоидов (в основном гумусовых веществ). Путем обеззараживания устраняют содержащиеся в воде водоисточника инфекционные агенты: бактерии, вирусы и др.

В тех случаях, когда недостаточно применять только основные способы, используют специальные методы очистки (обезжелезивание, обесфторивание, обессоливание и др.), а также введение некоторых необходимых для организма человека веществ: фторирование, минерализацию обессоленных и маломинерализованных вод.

Для удаления химических веществ наиболее эффективным является метод сорбционной очистки на активных углях. Она также значительно улучшает органолептические свойства воды.

Методы обеззараживания воды подразделяют:

1) на химические (реагентные):

• хлорирование;

• озонирование;

• использование олигодинамического действия серебра;

2) физические (безреагентные):

• кипячение;

• ультрафиолетовое облучение;

• облучение γ-лучами и др.

В настоящее время основным методом, используемым для обеззараживания воды на водопроводных станциях, в силу техникоэкономических причин является метод хлорирования, однако все большее распространение получает метод озонирования. Его применение, в том числе в комбинации с хлорированием, улучшает качество получаемой воды.

Наиболее часто для хлорирования воды на водопроводах используют газообразный хлор, однако применяют и другие хлорсодержащие реагенты. По возрастанию окислительно-восстановительного потенциала они располагаются в следующем порядке: хлорамины (RNHCl₂ и RNH₂Cl), гипохлориты кальция и натрия ([Са(ОСl)₂] и NaOCl), хлорная известь (3СаОСl· СаО ·5Н₂О), газообразный хлор, двуокись хлора СlO₂.

Бактерицидный эффект хлорирования объясняется в основном воздействием на протоплазму бактерий недиссоциированной молекулы хлорноватистой кислоты, которая образуется при введении хлора в воду:

Cl₂ + Н₂О → HOCl + НСl

Бактерицидным свойством обладают также гипохлорит-ион и хлор-ион, которые образуются при диссоциации хлорноватистой кислоты:

НОСl → OCl^- + Н⁺

ОСl^- → Cl^- + О

Степень диссоциации НОСl возрастает при повышении активной реакции воды. Таким образом, с повышением рН бактерицидный эффект хлорирования снижается.

Действующим началом при хлорировании хлорамианом и гипохлоритами является гипохлорит-ион, а двуокисью хлора HClO₂ - хлористая кислота, которая имеет наиболее высокий окислительно-восстановительный потенциал, поэтому при ее использовании достигаются наиболее полные и глубокие окисление и обеззараживание.

При введении хлорсодержащего реагента в воду его основное количество (более 95 %) расходуется на окисление органических и легкоокисляющихся неорганических (солей двухвалентного железа и марганца) веществ, содержащихся в воде. На соединение с протоплазмой бактериальных клеток расходуется всего 2-3 % общего количества хлора.

Количество хлора, которое при хлорировании 1 л воды расходуется на окисление органических, легкоокисляющихся неорганических веществ и обеззараживание бактерий в течение 30 мин, называется хлорпоглощаемостью воды. Хлорпоглощаемость определяется экспериментально путем проведения пробного хлорирования.

По окончании процесса связывания хлора содержащимися в воде веществами и бактериями в воде начинает появляться остаточный активный хлор. Его появление, определяемое титрометрически, является свидетельством завершения процесса хлорирования.

В СанПиНе 2.1.4.1074-01 указывается на необходимость обязательного присутствия в воде, подаваемой в водопроводную сеть, остаточного активного хлора в концентрациях 0,3-0,5 мг/л, что является гарантией эффективности обеззараживания. Кроме того, наличие активного остаточного хлора необходимо для предотвращения вторичного загрязнения воды в разводящей сети. Таким образом, это является косвенным показателем эпидемической безопасности воды.

Общее количество хлора, необходимое для удовлетворения хлорпоглощаемости воды и обеспечения необходимого количества (0,3-0,5 мг/л свободного активного хлора при нормальном хлорировании и 0,8-1,2 мг/л связанного активного хлора при хлорировании с аммонизацией) остаточного хлора, называется хлорпотребностью воды.

Процесс обеззараживания обычно является последней ступенью схем обработки воды на водопроводных станциях, однако в ряде случаев при значительном загрязнении исходных вод применяется двойное хлорирование: до и после осветления и обесцвечивания. Также для снижения дозы хлора при заключительном хлорировании весьма перспективно комбинирование хлорирования с озонированием.

Используют несколько способов хлорирования воды.

1. Хлорирование нормальными дозами. Доза хлора устанавливается экспериментально по сумме величин хлорпоглощаемости и санитарной нормы остаточного хлора (хлорпотребности воды) путем проведения пробного хлорирования.

Хлорирование нормальными дозами является наиболее часто применяемым методом на водопроводных станциях. Минимальное время контакта воды с хлором при хлорировании нормальными дозами составляет летом не менее 30 мин, зимой - 1 ч.

2. Хлорирование с преаммонизацией. При этом способе в воду помимо хлора вводится также аммиак, в результате чего образуются хлорамины. Этот метод употребляется для улучшения процесса хлорирования:

1) при необходимости транспортировки воды по трубопроводам на большие расстояния, так как остаточный связанный (хлораминный) хлор обеспечивает более длительный бактерицидный эффект, чем свободный;

2) содержании в исходной воде фенолов, которые при взаимодействии с свободным хлором образуют хлорфенольные соединения, придающие воде резкий аптечный запах. Хлорирование с преаммонизацией приводит к образованию хлораминов, которые из-за более низкого окислительно-восстановительного потенциала в реакцию с фенолами не вступают, поэтому посторонние запахи и не возникают.

Однако в силу более слабого действия хлораминного хлора его остаточное количество в воде должно быть выше, чем свободного, и составлять не менее 0,8 -1,2 мг/л.

3. Гиперхлорирование воды (хлорирование избыточными дозами, заведомо превышающими хлорпотребность воды). Гиперхлорирование является способом, используемым в неблагоприятной эпидемиологической обстановке, при отсутствии или неэффективной работе водоочистных сооружений, в полевых условиях, при отсутствии возможности проведения пробного хлорирования для определения хлорпотребности. Введение избыточных доз хлора создает возможность надежного обеззараживания мутных, цветных, сильнозагрязненных и зараженных вод и сокращает время обеззараживания до 10-15 мин.

При этом упрощается техника хлорирования, так как вместо проведения пробного хлорирования доза хлора определяется ориентировочно в зависимости от вида водоисточника, качества воды (мутности, цветности), степени ее загрязнения и опасности в эпидемическом отношении.

При гиперхлорировании воды обычно используют следующие дозы хлора:

• для воды хорошо оборудованных срубовых колодцев при хороших органолептических свойствах воды - 10 мг/л активного хлора;

• при пониженной прозрачности колодезной воды, а также для воды рек или озер (прозрачной и бесцветной) - 15-20 мг/л;

• при сильном загрязнении воды любого водоисточника, а также при использовании воды из источников непитьевого назначения (вода искусственных прудов и запруд) - 25-30 мг/л;

• в случае опасности применения бактериологического оружия - до 100 мг/л.

По истечении необходимого времени контакта избыточное количество остаточного хлора удаляют путем дехлорирования воды тиосульфатом натрия или ее фильтрацией через активированный уголь (с помощью табельных или импровизированных фильтров).

Приготовление 1 % раствора хлорной извести и определение содержания активного хлора. При проведении хлорирования в качестве источника активного хлора часто используют 1 % раствор хлорной извести. Она является нестойким соединением, быстро теряющим хлор, поэтому необходимо предварительно определить содержание в ней активного хлора.

Для приготовления 1 % раствора хлорной извести берут навеску в 1 г хлорной извести, размельчают ее в фарфоровой ступке с помощью пестика и добавляют дистиллированную воду до образования кашицы. Затем кашицу разводят дистиллированной водой и переливают содержимое чашки в мерный цилиндр, доводя количество раствора до метки «100». Тщательно перемешивают и оставляют раствор на 10 мин для осветления.

В полевых условиях активный хлор в хлорной извести определяют капельным способом. В стакан (или колбу) наливают 100 мл дистиллированной воды, добавляют 0,4 мл свежеприготовленного 1 % раствора хлорной извести, 1 мл разбавленной хлористоводородной кислоты (1:5), 1 мл 5 % раствора йодида калия и 1 мл 1 % свежеприготовленного раствора крахмала. Перемешивают и титруют по каплям специально подобранной пипеткой (1 мл которой соответствует 25 каплям) 0,7 % раствором тиосульфата натрия до обесцвечивания. Содержание активного хлора в хлорной извести в процентах равно количеству капель тиосульфата натрия, израсходованного на титрование (l капля 0,7 % тиосульфата натрия связывает 0,04 мг хлора, что составляет сотую часть взятого для определения количества хлорной извести - 4 мг, т.е. 1 %).

Хлорирование нормальными дозами. Как указывалось, для определения необходимой дозы хлора при хлорировании нормальными дозами устраивают пробное хлорирование воды. Упрощенно пробное хлорирование проводят в трех стаканах, в каждый из которых наливают по 200 мл исследуемой воды, вкладывают стеклянные палочки и с помощью выверенной пипетки (25 капель равны 1 мл) добавляют 1 % раствор хлорной извести: в первый - одну каплю, во второй - две капли, в третий - три капли. Воду в стаканах хорошо перемешивают и через 30 мин определяют наличие в ней остаточного хлора. Для этого в каждый стакан прибавляют 2 мл 5 % раствора йодида калия, 2 мл хлористоводородной кислоты (1:5), 1 мл 1 % раствора крахмала и тщательно перемешивают. При наличии остаточного хлора вода окрашивается в синий цвет, тем более интенсивный, чем больше в ней содержится остаточного хлора. Воду в стаканах, где появилось синее окрашивание, титруют по каплям 0,7 % раствором тиосульфата натрия до обесцвечивания, перемешивая ее после добавления каждой капли.

Для расчета дозы выбирают тот стакан, где произошло обесцвечивание от двух капель тиосульфата натрия, так как содержание остаточного хлора в этом стакане составляет 0,4 мг/л (одна капля 0,7 % раствора тиосульфата натрия связывает 0,04 мг хлора, что соответствует при пересчете на 1 л 0,04·5 = 0,2 мг/л). Если обесцвечивание произошло от одной капли, содержание остаточного хлора недостаточно (0,2 мг/л). При обесцвечивании от трех капель содержание остаточного хлора избыточно (0,6 мг/л).

В зависимости от результатов пробного хлорирования рассчитывают количество хлорной извести, необходимое для хлорирования 1 л воды.

Пример. Для расчета дозы выбран второй стакан, где при определении остаточного хлора на титрование пошло две капли 0,7 % раствора тиосульфата натрия. В этот стакан на 200 мл воды было прибавлено две капли 1 % раствора хлорной извести. Следовательно, на 1 л воды потребуется 2·5 = 10 капель или 0,4 мл 1 % раствора хлорной извести, так как в 1 мл содержится 25 капель.

Количество сухой хлорной извести, содержащейся в 0,4 мл 1 % раствора, в 100 раз меньше (так как раствор однопроцентный) и составляет 0,4/100 = 0,004, или 4 мг сухой хлорной извести, т. е. доза хлора равна 4 мг/л хлорной извести.

Определение остаточного хлора в водопроводной воде. В коническую колбу емкостью 500 мл наливают 250 мл водопроводной воды (до отбора пробы воду из крана необходимо спустить), 10 мл буферного раствора с рН 4,6* и 5 мл 10 % раствора йодида калия. Затем титруют выделившийся йод 0,005 н. раствором тиосульфата натрия до бледно-желтой окраски, приливают 1 мл 1 % раствора крахмала и титруют раствор до исчезновения синей окраски.

Содержание остаточного хлора в воде, х, мг/л, вычисляют по формуле

x = ,

где n - количество 0,005 н. раствора тиосульфата натрия, израсходованное на титрование, мл; К_п - поправочный коэффициент раствора тиосульфата; 0,177 - количество активного хлора, соответствующее 1 мл 0,005 н. раствора тиосульфата натрия, мг; V — объем воды, взятой для анализа, мл.