Установки и станции очистки питьевой воды, оборотных, технических и сточных вод

На текущий момент технически корректно условно разделить все устройства, установки и сооружения, в том числе станции для обработки водозаборных потребляемых вод питьевого, технического, промышленного (промышленного оборотного) назначения и использованных сбрасываемых (в водоемы, на рельеф, в почву) хозяйственно-бытовых, ливневых и промышленных стоков на:

• устройства, установки, станции очистки (питьевой воды, промышленных, технических, сточных вод), в которых используются физические, или химические, или физико-химические, или биологические процессы для осветления, обесцвечивания вод и удаления из них (или снижения концентраций) загрязняющих, вредных и опасных веществ, химических соединений и микроорганизмов. Например – пескоуловитель, отстойник, установка фильтрации, септик/аэротенк, установка обеззараживания воды и т.д.;

• комплексные очистные сооружения – станции водоочистки и водоподготовки, где в рамках единого управления технологическими процессами задействовано оборудование (устройства, механизмы, установки, агрегаты) и сооружения для физической, химической, физико-химической и биологической очистки воды с целью приведения ее качества - совокупности показателей, характеризующих физические, химические, бактериологические, органолептические и другие свойства воды, в том числе ее температуру - в соответствие с установленными нормативно-правовыми актами требованиями. Это очистка и обеззараживание воды на очистных сооружениях станций водоотведения, станции водоподготовки тепловых сетей, водопроводно-канализационных хозяйств (ВКХ), обработки промышленных сточных и водоподготовки оборотных вод и т.д.;

• устройства, агрегаты и станции, обеспечивающие транспортировку и процессы очистки и обеззараживания воды – установки повышения давления, канализационные насосные станции, установки и системы приготовления и дозирования реагентов для дезинфекции, приборы анализа и контроля качественных показателей и пр.

Наиболее жесткие требования предъявляются к очистке и обеззараживанию питьевой воды, очистка и обеззараживание сточных вод регулируется соответствующими нормативно-правовыми актами в зависимости от водохозяйственного значения места сбрасывания стоков, водоподготовка промышленных (и промышленных оборотных), технических вод разных видов водопользования (п. 3 ГОСТ 17.1.1.01–77), в том числе для бассейнов, аквапарков, воды тепловых сетей и т.д. регулируется государственными, отраслевыми стандартами, ТУ, СНиП и СанПиН.

Справка: В России установлены 2 категории объектов водопользования, по сути, определяющих жесткость требований к очистке и обеззараживанию сточных вод, сбрасываемых в водные объекты и/или на прилегающие к этим объектам поверхности почвы (сброс на рельеф или в почву):

• водные объекты, используемые для централизованного (или нецентрализованного) хозяйственно-питьевого водоснабжения и/или водоснабжения предприятий пищевой промышленности;
• водные объекты, используемые для купания, спорта, отдыха населения и любые водные объекты в черте населенных мест.

Очистка и обеззараживание воды разных видов водопользования в нормативно-правовых актах.

Для питьевой воды Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) (World Health Organization – WHO) определила перечень оптимальных рекомендуемых и предельно допустимых отклонений физико-химических и бактериологических показателей качества воды (см. таблицу ниже), однако каждое государство мира использует свои нормативы, устанавливаемые в национальных нормативно-правовых актах.

Рекомендации World Health Organization (WHO) по оптимальным и предельно допустимым отклонениям
физико-химических и бактериологических показателей качества питьевой воды.

• мутность воды, обусловленная присутствием тонкодисперсных взвешенных частиц и определяемая фотометрическим методом по ISO 7027 в ЕМ/дм³ (Единицах Мутности на кубический дециметр) или Единицах Мутности по Формазину (ЕМФ) (или FTU - formazine Turbidity Unit, где 1FTU=1ЕМФ=1ЕМ/дм³);
• запах воды, оцениваемый по шестибальной шкале согласно методике ГОСТ 3351-74;
• вкус и привкус воды, оцениваемый по пятибальной шкале согласно методике ГОСТ 3351-74;
• цветность воды, анализируемая фотометрическим методом по ГОСТ 3351-74;
• минерализация по ГОСТ 17403 – 72;
• электропроводимость и удельная электропроводность, измеряемые соответственно в сименсах (siemens) (сокращенно См (S), См = 1/Ом = с³А²/(кг·м²)) и См/см (μS/cm в странах ЕС);
• водородный показатель (рН);
• жесткость воды (постоянная и временная, карбонатная и некарбонатная в зависимости от концентраций солей кальция и магния) по ГОСТ 4151-72 и ГОСТ Р 52029-2003 в ммоль/л (°Ж), где °Ж – введенный ГОСТ Р 52029-2003 российский градус жесткости – концентрация щелочноземельного элемента численно равная 1/2 его моля в мг/дм³ (г/м³) (1 °Ж = 1 мг-экв/л).

На территории РФ для оценки качества воды используются следующие показатели:

Соотношение российских единиц жесткости и национальных единиц жесткости других стран мира.

Примечание: 1 °Ж обозначает наличие 20,04 мг Са2+ или 12,15 Mg2+ в 1 дм³ воды; 1 °DH обозначает наличие 10 мг СаО в 1 дм³ воды; 1 °F обозначает наличие 10 мг СаСО₃ в 1 дм³ воды; 1 ррm обозначает наличие 1 мг СаСО₃ в 1 дм³ воды; 1 °Clark обозначает наличие 10 мг СаСО₃ в 0,7 дм³ воды.

• щелочность воды по суммарной концентрации анионов слабых кислот и гидроксильных ионов;
• содержание растворенного кислорода;
• ПДК вредных веществ;
• содержание железа, марганца, алюминия, аммония;
• содержание растворенных и нерастворенных примесей органических веществ по окисляемости воды (перманганатной (для чистых и малозагрязненных вод) или бихроматной окисляемости – химической потребности в кислороде, ХПК), содержанию органического углерода и биохимической потребности в кислороде (БПК);
• окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) E (редокс-потенциал - от англ. Reduction/Oxidation – RedOx);
• микробиологические и паразитологические показатели по СанПиН 2.1.2.1188-03 (хозяйственно-бытовые воды) и СанПиН 2.1.4.10749 – 01 (питьевая вода).

Микробиологические и паразитологические показатели питьевой воды по СанПиН 2.1.4.10749 – 01.

Типовой перечень показателей качества воды в РФ и нормированные значения показателей качества.

Важно: Обеззараживание питьевой воды, технических, промышленных вод и обеззараживание сточных вод осуществляется по данным технологических изысканий, выявляющих наличие в направляемой на обработку воде содержания свободного и связанного хлора или иного дезинфектанта, что позволяет точно рассчитать количество вводимого реагента.

Запах, Цветность, мутность, перманганатная окисляемость, содержание железа, марганца и сульфидов влияют на потребление активного хлора или иного дезинфектанта в процессе обеззараживания воды, а содержание ионов аммония – на содержание остаточного свободного и связанного хлора. рН, показатели общей минерализации, жесткости, щелочности и содержания гидрокарбонатов влияют на индекс стабильности воды.

Справка: Индекс насыщения (индекс стабильности) Ланжелье определяет возможность самообразования из транспортируемой воды на трубопроводах, арматуре и деталях устройств и механизмов (насосы, теплообменники, установки ультрафиолетовой обработки воды и пр.) тонкой буферной пленки, защищающей трубы и детали систем водоснабжения, отопления, водоотведения от коррозии и эрозии, но не засоряющей транспортируемую среду. В отдельных случаях тонкая пленка может ухудшать работу систем, устройств и установок – пленка на кварцевых трубках установки ультрафиолетового обеззараживания воды снижает эффективность обеззараживания, на нагревательных элементах электрических бойлеров – ухудшает теплоотдачу, на стенках чаши бассейнов – затрудняет их очистку и дезинфекцию.

Нормативно-правовая база очистки и обеззараживания воды разных видов водопользования формируется:

• базовыми Федеральными Законами и стандартами - N 74-ФЗ от 03.06.2006 «Водный кодекс Российской Федерации», N 7-ФЗ от 10.01.2002 Федеральный закон «Об охране окружающей среды», N 416-ФЗ от 29.11.2011 федеральный закон «О водоснабжении и водоотведении», ГОСТ 27065-86 «Качество вод. Термины и определения» (изд. 01.11.2003), ГОСТ 25150-82 «Канализация. Термины и определения», ГОСТ 30813-2002 «Вода и водоподготовка. Термины и определения» (переиздание 07.09.2010), ГОСТ 2761-84 «Источники централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические требования и правила выбора», ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством», ГОСТ 24849-81 «Вода питьевая. Полевые методы санитарно-микробиологического анализа», ГОСТ 18963-73 «Вода питьевая. Методы санитарно-бактериологического анализа», ГОСТ Р 53491.1-2009 «Бассейны. Подготовка воды. Часть 1. Общие требования»;
• государственными нормами (ГН), СанПиН, СНиП и методическими указаниями Минздрава РФ (МУК) - САНПИН 2.1.4.1175-02 «Гигиенические требования к качеству нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников», СанПиН 2.1.4.1175-02 «О введении в действие санитарных правил «Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников. СанПиН 2.1.4.1175-02», СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества», СанПиН 2.1.2.1331-03 «Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды аквапарков», СанПиН 2.1.2.1188-03 «Плавательные бассейны. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды», СанПиН 2.1.4.544-96 «Требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников», ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования», Методические указания МУ 2.1.2.694-98 «Использование ультрафиолетового излучения при обеззараживании воды плавательных бассейнов», МУК 4.2.1018-2001 «Санитарно-микробиологический анализ питьевой воды. Методические указания», МУК 4.2.964-2000 «Санитарно-паразитологическое исследование воды хозяйственного и питьевого использования. Методические указания», МУ 2.1.4.1057-2001 «Организация внутреннего контроля качества санитарно-микробиологических исследований», МУК 4.2.1018-2001 «Санитарно-микробиологический анализ питьевой воды. Методические указания», МУК 4.2.796-99 «Методы санитарно-паразитологических исследований воды. Методические указания»
• пакетом стандартов, обеспечивающих измерение, анализ показателей и контроль качества воды, а также ПНД Ф (Природоохранными нормативными документами федеративными), МВИ (Методиками выполнения измерений), РД (Руководящими документами), МУ (Методическими указаниями) и ТУ, регламентирующими методы очистки/обеззараживания сточных вод, очистки и обеззараживания питьевой воды, установки и системы обеззараживания воды и т.д.

Очистка и обеззараживание воды в водоподготовке вод различных видов водопользования.

В России сегодня применяется около 4 десятков методов и технологий водоподготовки с использованием физических, химических, физико-химических и биологических процессов, ориентированные на: удаление из воды загрязняющих взвешенных частиц; снижение концентраций железа, марганца и их соединений; удаление или снижение концентраций органических загрязнений; удаление микробиологических и паразитологических загрязнений (обеззараживание воды); деминерализацию (обессоливание); снижение концентраций солей кальция и магния (умягчение); корректировку состава по рН, фтору, йоду, индексу стабильности и т. д.

В целом подход к водоподготовке воды различных видов водопользования или очистке и обеззараживанию сточных вод в России гибкий, избирательный и основан на выборе оптимальных методов очистки и обеззараживания воды в зависимости от ее исходного физико-химического, биологического состава и требований, предъявляемых к качеству воды (потребляемой, оборотной, сбрасываемой в водоемы, на рельеф, в почву). Так, например, очистка и обеззараживание питьевой воды при одинаковых требованиях к качеству по всей территории РФ во многом зависит от водозабора – из глубинных водных пластов подземных вод или поверхностных вод (водоемов 1 категории, песчаных скважин, колодцев). Грунтовые воды из глубинных скважин, как правило, бедны кислородом, насыщены двуокисью углерода, в небольшой степени загрязнены взвешенными частицами, часто минерализованы, однако в редких случаях загрязнены вредными/опасными для человека органическими соединениями и бактериями, почти никогда паразитами.

Это определяет типовой пакет методов и технологий водоподготовки для питьевой воды при водозаборе из глубинных пластов подземных вод:

• аэрация воздухом или чистым кислородом – сильным окислителем, которая помимо насыщения воды кислородом позволяет выполнить дегазофикацию по сернистым соединениям [H₂S], метану [CH₄], аммонию [NH⁴⁺] и агрессивной двуокиси углерода [CO₂], а также перевести окись железа и двуокись марганца в нерастворимые соединения в виде взвесей, улавливаемых впоследствии песчаным фильтром;
• дозированная добавка в воду (до аэратора или после) раствора для выщелачивания (обычно гидроксида натрия), что снижает содержание двуокиси углерода и растворимых соединений железа;
• фильтрация аэрированной воды через песчаные фильтры (открытые в водопроводно-канализационных хозяйствах или закрытого типа в локальных сетях водоснабжения). В песчаных фильтрах задерживаются загрязняющие взвешенные частицы, хлопья соединений окиси железа и двуокиси марганца, параллельно песчаный фильтр механической (физической) очистки выполняет биологическую очистку воды благодаря накоплению в верхних слоях фильтра анаэробных бактерий;
• обеззараживание воды хлором (соединениями хлора) или озоном, или ультрафиолетовое обеззараживание воды;
• корректировка рН ведением гидроксида натрия или раствора кислоты.

При выявлении во время анализа воды органических загрязнений в технологическую цепочку водоподготовки интегрируют фильтры активированного угля, конструктивно схожие с песчаными фильтрами.

Технологическая цепочка очистки и обеззараживания питьевой воды при водозаборе из глубинных скважин, где: 1 – скважина, 2 – дозировочный насос; 3 - емкость с раствором для выщелачивания; 4 – каскадный аэратор; 5 – сооружение аэрации; 6 – отстойник; 7 и 8 – соответственно первичный и вторичный песчаные фильтры (параллельно могут использоваться угольные фильтры или засыпки фильтра активированным углем); 9 – система очистки песчаных фильтров; 10 – компрессор; 11 – дозировочный насос; 12 – резервуар с дезинфектантом; 13 – резервуар с чистой водой; 14 – насос для перекачки или насосная установка; 15 – водонапорная башня.

Справка: Обеззараживание питьевой воды может выполняться:

• хлорсодержащими дезинфектантами: хлоридами - солями хлористоводородной (соляной) кислоты HCl (NaCl); газообразным хлором Cl₂; гипохлоритами – солями хлорноватистой кислоты HClО (NaClО – гипохлорит натрия, Ca(ClO) ₂ - гипохлорит кальция); хлоритами – солями хлористой кислоты HClO₂ (NaClO₂ – хлорит натрия); хлоратами – солями хлорноватой кислоты HClO₃ (NaClO₃ – хлорат натрия, KClO₃ – бертолетова соль); перхлоратами – солями хлорной кислоты HClО₄ (NaClО₄ – перхлорат натрия);

• дезинфектантами с активным компонентом кислородом – озоном, перекисью водорода (H₂O₂), надуксусной кислотой (СН₃СОООН);

Принципиальная схема генерации озона (слева) и наиболее популярные системы введения озона в обеззараживаемую воду
(справа): 1 – прямоточная, 2 - система с боковым потоком.

• перманганатом калия (KMnO₄), где окислительными свойствами обладает Mn⁷⁺;
• воздействием на микроорганизмы, токсины и паразиты ультрафиолетового излучения.

Перекись водорода эффективно уничтожает грамположительные ми грамотрицательные бактерии, вирусы, многие виды патогенных грибов, однако она по ГОСТ 177-88 относится к пожаровзрывоопасным жидкостям и при хранении/использовании для стабилизации и снижения негативных коррозионных процессов с металлами требует добавок пирофосфата или станната натрия, а также ингибитора коррозии NH₄NO₃.

Обеззараживание воды надуксусной кислотой помогает избавиться от вирусов, патогенных микроорганизмов семейств Pseudomonas aeruginosa, Mycobacterium tuberculosis, Mycobacterium bovis, Bacillus Anthracis, отчасти грибов и их спор. Вместе с тем, надуксусная кислота сильно агрессивна к металлам, причем активно коррозируют конструкционная сталь, железо, латунь, медь даже, если они никелированы, хромированы или имеют буферное защитное покрытие, что делает обеззараживание воды этим дезинфектантом проблематичным.

Обеззараживание воды перманганатом калия нашло широкое применение благодаря негорючести и нетоксичности реагента, параллельно с обеззараживанием воды перманганат калия используется для окисления соединений двухвалентного железа и марганца.

Особенности обеззараживания воды наиболее популярными хлорсодержащими дезинфектантами, озоном и обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением представлены в таблице ниже.

Системы Grundfos OXIPERM PRO для получения на месте диоксида хлора из хлорита натрия и соляной кислоты.

Установка ультрафиолетового обеззараживания воды.

Установки обеззараживания воды Grundfos OXIPERM PRO с генерацией диоксида хлора из хлорита натрия и соляной кислоты.

Поверхностные воды (водозабор из водоемов 1 категории, песчаных скважин, колодцев) существенно отличаются от подземных по физико-химическим показателям, загрязненности взвешенными частицами, органическими веществами, бактериями, микроорганизмами и паразитами, что обусловлено невысокой степенью фильтрации осадочных вод загрязненными поверхностными слоями почвы, недостаточной биологической активностью аэробных и анаэробных бактерий в водоемах, смывом с загрязненных деятельностью человека участков земли химических, бактериологических и паразитологических загрязнений, прямым загрязнением водоемов сбросами отходов промышленности и жизнедеятельности людей и т.д.. Поэтому очистка и обеззараживание воды с водозабором из водоемов, песчаных скважин, колодцев практически всегда включает в себя весь комплекс методик, основанных на физических, химических, физико-химических и биологических процессах.

Очистка и обеззараживание сточных вод включает физические, химические, физико-химические методики, но в прерогативной остается биологическая очистка сточных вод и обеззараживание осадков сточных вод.

К прогрессивным методам обеззараживания сточных вод относят УФ обеззараживание воды, хотя на текущий момент обеззараживание сточных вод УФ в основном используется в индивидуальных системах водоотведения при сбросе стоков в магистральные линии водопроводно-канализационного хозяйства или при невозможности обустроить на участке полей/траншей/колодцев фильтрации после септиков или аэротенков.