Сточные воды

Если  качество воды источника подвержено резким и быстрым изменениям, то хлорирование воды обычным методом  может не обеспечить ее надежного  обеззараживания. Периодическое ухудшение  качества исходной воды может оказаться  неучтенным лабораторией, вследствие чего снизится качество подаваемой в  сеть воды. В таких случаях употребление избыточных доз хлора создает  гарантию надежности обеззараживания воды. Перехлорирование применяют так же, как меру борьбы с цветностью воды, с запахами и привкусами в природной воде.

При перехлорировании хлор вводят в воду перед очистными сооружениями; при этом количество хлора, остающегося в воде после прохождения ею всех очистных сооружений, бывает еще настолько велико, что вызывает ухудшение ее вкуса. Поэтому при перехлорировании требуется последующее удаление избыточных количеств хлора из воды до подачи ее в сеть.

Последний процесс называется дехлорированием и осуществляется введением в хлорированную воду веществ, способных связывать избыточный хлор. В качестве таких веществ можно применять гипосульфит-натрия (серноватисто-кислый натрий Na2S2O3), сернистый газ SO2, сульфит натрия Na2SO3 и др.

На 1 мг удаляемого хлора требуется 1,8 мг безводного сульфита натрия или 3,6 мг Na2SO4-7H2O.

Гипосульфит подают в воду в виде 1 — 1,5%-ного раствора, приготовляемого в баках, подобных бакам, применяемым при коагулировании.

Сульфит натрия как средство для дехлорирования имеет тот недостаток, что может быть бактериально загрязнен, и, следовательно, при его использовании не исключена возможность повторного загрязнения воды микроорганизмами.

В этом отношении имеет преимущество применение для дехлорирования сернистого газа как химически чистого продукта. Дозирование его производится газодозаторами той же конструкции, что и для хлора.

Для дехлорирования применяют также фильтрование на угольных фильтрах. Для загрузки угольных фильтров может быть использован активированный уголь. Активированный уголь (изготовляемый различными способами) имеет благодаря своей большой пористости весьма значительную поверхность и, следовательно, повышенную активность в отношении задержания хлора, содержащегося в фильтруемой через него воде. Высоту слоя угля назначают в зависимости от заданных начальной и конечной концентраций содержащегося в воде хлора и скорости фильтрования. Практически высоту слоя угля принимают около 2,5 м, скорость фильтрования — в пределах 20—30 м/ч, крупность зерен угля — 1,5—2,5 мм.

Так как  на угольном фильтре протекают и  процессы адсорбции, поверхность зерен  угля после некоторого времени его  работы покрывается слоем сорбированных веществ, препятствующих работе фильтра, вследствие чего требуется его регенерация. Для регенерации фильтр промывают горячим раствором кальцинированной соды или едкого натра примерно 1 раз в месяц.

Хлорирование  большими дозами хлора применяют  также в системах водоснабжения промышленных предприятий, использующих воду для охлаждения (в частности, на тепловых электростанциях). Здесь хлорирование имеет целью борьбу с биологическим обрастанием стенок труб охладительных устройств и аппаратуры. При громадных количествах охлаждающей воды, подвергаемой хлорированию, более экономичным оказывается применение не непрерывного, а периодического хлорирования. В зависимости от качества воды и интенсивности процессов биологического обрастания хлорирование может производиться ежедневно при промежутках в несколько часов или с интервалом в несколько дней. Доза хлора назначается в зависимости от окисляемости воды и находится в пределах 1,5—6,5 мг/л (а иногда и выше). Дозу и режим хлорирования в каждом отдельном случае следует назначать после проведения пробного хлорирования воды используемого источника. При хлорировании охлаждающей воды нужно, чтобы содержание остаточного хлора в воде, выходящей из наиболее удаленного теплообменного аппарата, равнялось 0,5—1 мг/л.

В большинстве  случаев в подобных установках осуществляется непрерывное приготовление хлорной  воды (обычным путем) и накопление ее в баке, емкость которого рассчитана на один период хлорирования.

Из бака хлорная вода в заданное время  подается в охлаждающую воду.

§ 115. Озонирование воды  

Использование озона для обработки воды, в  частности для ее обеззараживания, получает в настоящее время широкое  распространение.

Озонирование  осуществляется пропуском через  воду озонированного воздуха, т. е. воздуха, в котором кислород частично переведен  в трехатомную форму (Оз).

Озон обладает высокой бактерицидностью и обеспечивает надежное обеззараживание воды  (после ее осветления). Он обладает рядом

преимуществ по сравнению с хлором — получается непосредственно на станции очистки  воды, не ухудшает вкусовых качеств  воды, не ведет к возникновению  в ней запахов.

Озон токсичен: предельно допустимое содержание его  в воздухе помещений, где находятся  люди, составляет 0,00001 мг/л. В связи  с этим в озонаторных установках должны быть приняты все меры по предотвращению возможности проникновения  озона в помещение.

Доза озона для обеззараживания воды колеблется в пределах от 0,6 до 3,5 мг/л (в зависимости от свойств обрабатываемой воды).

Атмосферный воздух, забираемый для производства озона, должен быть очищен от пыли, а также  осушен.

Упрощенная схема  озонаторной установки показана на V.55. Воздух забирается через фильтр / и компрессором 2 подается в охладитель 3, проходит через устройства для осушения 4 и поступает в озонаторы 5. Охлаждение и осушение воздуха осуществляются различными методами. Озон получается в результате тихого электрического разряда в воздухе. Ток подается к озонаторам через трансформаторы 6. Генераторы озона различных систем серийно изготовляются промышленностью.

Для смешения воды с озоном служат смесители (контактные резервуары) 7. Озон (вместе с воздухом) подается туда по трубопроводу 8 через распределительную систему 9. Подача озона в воду может осуществляться через систему пористых труб, эжекторами и др. Обрабатываемая вода поступает в смеситель по трубе 10. Контакт воды с мельчайшими пузырьками озона происходит в условиях противотока.

Озонированная вода поступает в карман (отсек //) и отводится по трубе 12 в резервуар  чистой воды.

Расход электроэнергии на производство озона колеблется в  широких пределах и в значительной степени зависит от применения и  степени осушения воздуха. При хорошо осушенном воздухе расход энергии составляет 13—29 квт-ч на 1 кг озона; при отсутствии осушения он возрастает в 2—3 раза.

Проведенные исследования и опыт показывают возможность использования  озона для борьбы с вирусами.

Как сказано  далее (§ 117), озонирование успешно используется также для обесцвечивания воды, борьбы с запахами и привкусами в ней.

В ряде  случаев  применение  озона   является  целесообразным  ДЛИ комплексного решения указанных задач— обеззараживания, обесцвечивания, борьбы с привкусами и запахами.

Наконец, озонирование может использоваться для удаления из воды солей железа и марганца. 
 

Достоинства и недостатки промышленных методов обеззараживания  воды

В. М. АЛЫНИН, зам. директора  ЭП АО "АвтоВАЗ"; 
С. В. ВОЛКОВ, зав. отделом НПО "ЛИТ"; 
А. Я. ГИЛЬБУХ, зам. технического директора АО "Авто ВАЗ";  
А. И. ГРЕЧУХИН, технический директор АО "АвтоВАЗ";  
С. В. КОСТЮЧЕНКО, канд. физ.-мат. наук, директор НПО "ЛИТ";  
Н. Н. КУДРЯВЦЕВ, д-р физ.-мат. наук, профессор, декан факультета МФТИ;  
А. В. ЯКИМЕНКО, ст. научный сотрудник НПО "ЛИТ" 
 
Источники водоснабжения в последнее время подвергаются интенсивному загрязнению и их качество во многих регионах нельзя признать удовлетворительным. Сооружения водопод-готовки и водоотведения, на которых используются традиционные методы и процессы, не всегда в состоянии обеспечить требуемую степень очистки воды. В полной мере это относится и к обеззараживанию воды – главному барьеру на пути передачи водных инфекций. По данным статистики, в России более 11% проб качества питьевой воды не удовлетворяют требованиям действующего ГОСТ по бактериологическим показателям [1]. Отмечается постоянный рост числа бактериальных и вирусных заболеваний, распространяемых водным путем.  
 
Такое положение требует нового подхода к обеспечению эпидемиологической безопасности и, в частности, стимулирует работы по совершенствованию старых и внедрению принципиально новых технологий обеззараживания воды.

Из числа известных  методов обеззараживания воды многие находятся пока на стадии чисто научных  разработок. К ним относятся, например, пропускание постоянного, переменного  или импульсного тока, анодное  разложение, кавитация, радиационное облучение  рентгеном, гамма-квантами или ускоренными электронами. Другие способы, такие как обработка перекисью водорода, перманганатом калия, ионами тяжелых металлов, иодирование, бромирование, в силу ряда причин являются технологиями малых расходов и специальных схем обработки воды [2].  
 
Реальными практическими технологиями, прошедшими проверку на действующих крупномасштабных сооружениях очистки воды, являются хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое (УФ) облучение [3]. Каждая из этих технологий обладает преимуществами и недостатками по приемлемости в технологическом процессе, характеру воздействия на воду и его последствиям, экономической эффективности, возможностям и затратам на внедрение технологии в существующие системы водоочистки. Выбор конкретной технологии должен основываться на комплексном анализе этих преимуществ и недостатков с гигиенической, технико-эксплуатационной и экономической точек зрения.  
 
Гигиенические и экологические аспекты. Каждая из технологий (хлорирование, озонирование, УФ-облучение), если она применяется в соответствии с нормами, может обеспечить необходимую степень инактивации бактерий, в частности, по индикаторным бактериям группы кишечной палочки и общему микробному числу.  
 
Известно, что хлорирование является наименее эффективным по отношению к вирусам. Так, в работе [4] показано, что для обеспечения обеззараживания эн-теровирусов необходима концентрация свободного хлора 1-2,7 мг/л после контакта 30 мин -4 ч. Проведенные в последнее время исследования доказали, что традиционные схемы хлорирования во многих случаях не являются барьером на пути проникновения вирусов в питьевую воду [5].  
 
Озон и ультрафиолет имеют достаточно высокий вируцидный эффект при реальных для практики дозах: озон 0,5-0,8 мг/л при контакте 12 мин [4], ультрафиолет при дозе 16-40 мДж/см2[6].  
 
По отношению к цистам патогенных простейших высокую степень очистки не обеспечивает ни один из методов обеззараживания. Для удаления этих микроорганизмов рекомендуется сочетать процессы обеззараживания с процессами снижения мутности (коагуляцией, отстаиванием, фильтрацией).  
 
Важным моментом при определении схемы очистки является возможность повторного роста микроорганизмов после процесса дезинфекции. Хлорирование в общем случае обеспечивает консервацию воды после обеззараживания, однако следует подчеркнуть, что остаточный хлор в дозах 0,3-0,5 мг/л не является барьером при вторичном загрязнении питьевой воды.  
 
Еще более остра эта проблема для озонирования. В целом ряде исследований, выполненных в последние годы, было установлено, что в результате действия озона на органические соединения последние переходят из биологически устойчивых форм в биоразлагаемые, которые затем легко усваиваются микроорганизмами. Сравнительный анализ показал, что после озонирования часто наблюдается значительный рост бактерий, в то время как в хлорированной воде данный рост не отмечался [7]. Повторный рост микроорганизмов вынудил в ряде случаев либо отказаться вообще от озонирования [8], либо ввести дополнительное остаточное хлорирование. Однако применение хлорирования вслед за озонированием также имеет свои проблемы. Образующиеся в результате озонирования кислоты и альдегиды могут являться инициаторами образования хлорор-ганических соединений при последующем хлорировании [9].  
 
В случае УФ-обеззараживания повторный рост бактерий наблюдается при недостаточной дозе облучения, когда обработанная вода длительное время находится под воздействием солнечного света (эффект фотореактивации). Если технологическая доза облучения выбрана правильно – фотореактивация не наблюдается [10], что позволяет применять УФ-обеззараживание без последующего ввода консервирующих доз хлора как для артезианской, так и для поверхностной воды [11-13].  
 
Важно подчеркнуть, что при использовании любого из методов обеззараживания воды надежным гарантом предупреждения вторичного загрязнения и бактериального заражения питьевой воды может служить лишь надлежащее санитарно-техничес-кое состояние водопроводной сети и связанного с нею оборудования.  
 
Одной из основных причин, из-за которых применимость традиционного метода обеззараживания хлором ставится сейчас под сомнение, является образование в воде под действием хлора хлорорганических соединений. Хлорорганические соединения по данным многочисленных исследований по отношению к человеку обладают высокой токсичностью, мутагенностью и канцеро-генностыо [14]. Хлорирование сточных вод перед сбросом в водоемы приводит к тому, что хлорпроизводные и остаточный хлор, попадая в естественные водоемы, оказывают отрицательное воздействие на различные водные организмы, вызывая у них серьезные физиологические изменения и даже их гибель. Кроме того, хлорорганические соединения являются и загрязнителями питьевой воды, так как, обладая высокой стойкостью, вызывают загрязнение рек на значительных расстояниях вниз по течению, практически не извлекаясь в процессе водоподготовки.  
 
Считается, что озонирование является экологически более чистой технологией. Однако при озонировании также возможно образование побочных продуктов, классифицируемых нормативами как токсичные. При этом перечень таких продуктов не меньше, чем в случае хлорирования. К ним относятся броматы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, хиноны, фенолы и другие гидроксилированные и алифатические ароматические соединения [15]. Безвредность продуктов разложения органических веществ, образующихся в результате озонирования, требует серьезных исследований.  
 
Ультрафиолетовое облучение, в отличие от окислительных технологий, не меняет химический состав воды. Многочисленные исследования показали отсутствие вредных эффектов после облучения воды даже при дозах, намного превышавших практически необходимые [16].  
 
Эксплуатационные особенности. Технологическая простота процесса хлорирования, недифи-цитность хлора обусловливают его широкое внедрение в практику водоснабжения. Однако хлор (жидкий и газообразный) является сильнодействующим ядовитым веществом и при его транспортировании, хранении и использовании необходимо соблюдение специальных мер по обеспечению безопасности обслуживающего персонала и населения.  
 
Концентрация запасов жидкого хлора в расходных складах хлораторных коммунальных систем водоснабжения, на площадках очистных и других водопроводных сооружений, размещенных, как правило, в пределах застройки населенных мест, представляет потенциальную опасность из-за возникновения чрезвычайных аварийных ситуаций.  
 
В связи с этим в последние годы разработан и утвержден ряд нормативных документов, существенно ужесточающих требования, относящиеся к хлорным хозяйствам. .  
 
Новый СаНПиН 2.1.4.027-95 [17] для водопроводных сооружений с размещенными на их территории хлораторными с расходным складом хлора увеличивает минимально допустимый размер санитарно-защитной зоны до жилых и общественных зданий до 300 м вместо 100 м, регламентируемых СНиП [18]. Между тем, увеличение этих расстояний для действующих сооружений на практике часто не представляется возможным.  
 
Новые "Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении жидкого хлора" (ПБХ-93) определяют необходимость внедрения ряда, отсутствовавших ранее, организационных и технических мероприятий, направленных на повышение эксплуатационной надежности хлораторных, степени безопасности обслуживающего персонала и населения, а также на исключение условий для негативного влияния на окружающую природную среду при эксплуатации хлорного хозяйства и в случае возникновения аварийных ситуаций.  
 
Выполнение комплекса дополнительных мероприятий требует реконструкции действующих хлораторных и, как следствие, необходимости капитальных вложений и дополнительных эксплуатационных расходов на обслуживание.  
 
Использование для обеззараживания других хлорсодержащих реагентов (хлорной извести, ги-похлорита натрия и кальция) менее опасно в обслуживании и не требует сложных технологических решений. Однако применяемое в этом случае реагентное хозяйство более громоздко в связи с необходимостью хранения больших количеств реагентов (в 3-5 раз больше, чем при использовании чистого хлора). При этом, как и при хлорировании, необходимо устройство специальной системы приточно-вытяжной вентиляции и соблюдение специальных мер безопасности при работе обслуживающего персонала с реагентами.  
 
Эксплуатация усложняется также способностью хлорсодер-жащих реагентов быстро терять активность и, как следствие, неизбежной необходимостью увеличения затрат на транспортировку.  
 
Организация процессов хлорирования с помощью хлорсо-держащих реагентов осуществляется специальным обслуживающим персоналом. Растворы хлор-содержащих реагентов коррози-онно-активны и для работы с ними используется оборудование и трубопроводы из нержавеющих материалов или с антикоррозийными покрытиями.  
 
Метод озонирования в отличие от хлорирования технически сложен и для его реализации необходимо выполнение ряда последовательных технологических операций: очистка воздуха, его охлаждение и сушка, синтез озона, смешение озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой, отвод и деструкция остаточной озоновоздушной смеси, отвод ее в атмосферу.  
 
Кроме того, требуется много вспомогательных процессов и оборудования.  
 
Процесс синтеза озона осуществляется при высоком напряжении (10-15 кВ). Озон более токсичен, чем хлор, вызывает раздражение слизистых оболочек глаз и поражает органы дыхания. Предельно допустимое содержание озона в воздухе производственных помещений 0,1 г/м3. Существует опасность взрыва озоновоздушной смеси.  
 
При эксплуатации озонатор-ных станций необходимо привлечение большого количества специально обученного обслуживающего персонала, в том числе для эксплуатации высоковольтного электрооборудования. Обязательно соблюдение строгих мер безопасности на рабочих местах. Важным обстоятельством является принятие своевременных мер предосторожности при работе с озонаторным оборудованием и оперативное устранение дефектов.  
 
Повышенное внимание уделяют качественной деструкции остаточной озоновоздушной смеси, отсасываемой из контактной камеры, обеспечивая тем самым исключение возможности негативного влияния на окружающую среду и необходимую экологическую безопасность.  
 
Озон вызывает активную коррозию оборудования и трубопроводов и требует использования нержавеющих материалов.  
 
Технология обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением является наиболее простой как в реализации, так и при обслуживании УФ-оборудования. При использовании этой технологии не требуется обеспечения специальных мер безопасности и привлечения специального обслуживающего персонала. Максимальное рабочее напряжение, используемое при эксплуатации УФ-оборудования, – 380 В.  
 
Принципиально отсутствует опасность передозировки в отличие от технологий хлорирования и озонирования.  
 
Экономическая эффективность.  
 
При обеззараживании природных и сточных вод объективно наиболее дорогостоящим является метод озонирования. Это относится в равной степени как к стоимости строительства и оборудования, так и к эксплуатационным расходам и обусловливается следующим:  

• технологически  сложный процесс требует применения комплекса технических операций и разнообразного оборудования, в  том числе дорогостоящего (озонаторы, компрессоры, установки осушки воздуха, холодильные установки и т. д.);
• необходимо выполнение объемных строительно-монтажных работ по возведению зданий и сооружений для размещения основного и вспомогательного оборудования и устройству контактных камер в герметичном исполнении;
• при внедрении озонаторных комплексов на действующих сооружениях водопровода и канализации требуется их серьезная реконструкция, прежде всего, в части ввода в существующую технологическую цепочку и высотную гидравлического схему узла по смешению озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой (контактной камеры), в некоторых случаях требуется организация дополнительных ступеней подкачек общего потока воды;
• для безаварийной и безопасной эксплуатации озонаторных станций необходимо внедрение оборудования и трубопроводов из нержавеющих сталей, а также создание автоматизированных систем контроля и управления процессом озонирования в целях оптимизации его в зависимости от качества исходной воды и ее расходов;
• зачастую для удаления побочных продуктов озонирования, способных оказать негативное влияние на качество питьевой воды, требуется внедрение дополнительных ступеней фильтрации с сорбционной угольной загрузкой и организация дополнительных ступеней подкачки общего потока воды, либо реконструкция действующих очистных сооружений для ввода в них технологических элементов сорбционной очистки на активных углях.

 
 
Суммарные капитальные вложения на строительство озонаторных комплексов с применением сорбционных методов  составляют 40-60 % стоимости традиционных очистных сооружений [19].  
 
Значительные эксплуатационные расходы при работе станции озонирования определяются главным образом высокой энергоемкостью процесса синтеза озона (12-22 кВтч/кг производимого озона), вспомогательного оборудования (суммарное потребление электроэнергии станцией достигает 30-40 кВтч/кг озона и более), а также затратами на содержание обслуживающего персонала и обеспечение зданий тепловой энергией. Прочие методы обеззараживания – хлорирование и ультрафиолетовое излучение, значительно превосходя метод озонирования по технико-экономическим и эксплуатационным показателям, между собой примерно сопоставимы.  
 
 
 
 
Организация процесса обеззараживания хлорированием требует меньше капитальных вложений, чем внедрение УФ-оборудо-вания, несмотря на необходимость дооснащения действующих и проектируемых хлораторных комплексом технических мероприятий, направленных на обеспечение новых требований Гос-гортехнадзора России (ПБХ-93) по повышению условий безопасной и безаварийной эксплуатации хлорных хозяйств.  
 
Однако, несмотря на высокую стоимость УФ-оборудования, метод обеззараживания УФ-излуче-нием имеет следующие преимущества: