Текст книги "Экология городской среды"

• основной целью разрабатываемых мероприятий и их объема является сохранение постоянного природного состава воды путем устранения и предупреждения возможности ее загрязнения.

Границы ЗСО и разработка комплекса необходимых организационных, технических, гигиенических и противоэпидемических мероприятий определяются в зависимости от вида источника водоснабжения (подземных или поверхностных), проектируемых или используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, от степени их естественной защищенности и возможного микробного или химического загрязнения.

При наличии в подземных водах сверхнормативных концентраций железа или фтора водозаборы следует оборудовать обезжелезивающей или обесфторивающей установками.

3.3. Требования к качеству воды и водоподготовка

Согласно Водному кодексу Республики Беларусь качество воды представляет собой характеристику состава и свойств воды, определяющую ее пригодность для конкретного вида водопользования. Поскольку не существует единого показателя, который характеризовал бы весь комплекс характеристик воды, оценка качества воды ведется на основе системы показателей.

Показатели качества воды делятся на общие (физические, бактериологические, гидробиологические и химические) и специфические.

Общие показатели характерны для любых водных объектов. Использование специфических показателей (химические) обусловлено местными природными условиями, а также особенностями антропогенного воздействия на водный объект.

Физические показатели. Температура воды. В водных объектах температура является результатом одновременного воздействия солнечной радиации, теплообмена с атмосферой, переноса теплоты течениями, перемешивания водных масс и поступления подогретых вод из внешних источников. Температура влияет практически на все процессы, от которых зависят состав и свойства воды.

Запах. Запах воды создается специфическими веществами, поступающими в воду в результате жизнедеятельности гидробионтов, разложения органических веществ, химического взаимодействия содержащихся в воде компонентов и поступления из внешних источников. Запах воды измеряется в баллах.

Прозрачность. Прозрачность определяет протекание биохимических процессов, требующих освещенности (первичное продуцирование, фотолиз). Она зависит от степени рассеивания солнечного света в воде веществами органического и минерального происхождения, находящимися в воде во взвешенном или коллоидном состоянии и измеряется в сантиметрах.

Цветность. Цветность воды обусловливается содержанием органических окрашенных соединений и измеряется в градусах. Вещества, определяющие окраску воды, поступают в воду вследствие выветривания горных пород, внутриводоемных продукционных процессов, с подземным стоком, из антропогенных источников и др. Высокая цветность снижает органолептические свойства воды, уменьшает содержание растворенного кислорода.

Содержание взвешенных веществ. Источниками взвешенных веществ могут служить процессы эрозии почв и горных пород, взмучивание донных отложений, продукты метаболизма и разложения гидробионтов, продукты химических реакций и антропогенные источники. Взвешенные вещества влияют на глубину проникновения солнечного света, ухудшают жизнедеятельность гидробионтов, приводят к заиливанию водных объектов, вызывая их экологическое старение (эвтрофирование). Содержание взвешенных веществ измеряется в г/м³ (мг/дм³).

Бактериологические показатели. Характеризуют загрязненность воды патогенными микроорганизмами. К числу важнейших бактериологических показателей относят:

• коли-индекс – количество кишечных палочек в 1 л воды;

• коли-титр – количество воды (мл), в котором может быть обнаружена одна кишечная палочка;

• численность лактозоположительных кишечных палочек.

Гидробиологические показатели. Дают возможность оценить качество воды по состоянию животного мира и растительности водоемов. Изменение видового состава водных экосистем может происходить при столь слабом загрязнении водных объектов, которое не обнаруживается никакими другими методами. Поэтому гидробиологические показатели являются наиболее чувствительными. Существует несколько подходов к гидробиологической оценке качества воды.

Оценка качества воды по уровню сапробности. Сапробность – это степень насыщения воды органическими веществами. Каждому уровню сапробности соответствует свой набор индикаторных организмов-сапробионтов. В соответствии с этим подходом водные объекты (или их участки) в зависимости от содержания органических веществ делятся на полисапробные, α-мезосапробные, β-мезосапробные и олигосапробные. Наиболее загрязненными являются полисапробные водные объекты. На основе индикаторной значимости организмов и их количества вычисляют индекс сапробности, по которому определяется уровень сапробности.

Оценка качества воды по видовому разнообразию организмов. С увеличением степени загрязненности водных объектов видовое разнообразие, как правило, снижается. Оценку видового разнообразия осуществляют на основе индексов разнообразия.

Оценка качества воды по функциональным характеристикам водного объекта. Определяется по величине первичной продукции, интенсивности деструкции и некоторым другим показателям.

Химические показатели. Общие химические показатели: содержание растворенного кислорода, химическое потребление кислорода, биохимическое потребление кислорода, водородный показатель, содержание азота, фосфора и других веществ.

Растворенный кислород. Основными источниками поступления кислорода в водные объекты является газообмен с атмосферой (атмосферная реаэрация), фотосинтез, а также дождевые и талые воды, которые, как правило, перенасыщены кислородом. Окислительные реакции являются основными источниками энергии для большинства гидробионтов. Растворенный в воде кислород в основном используется на окисление органического вещества и процессы дыхания гидробионтов. Низкое содержание растворенного кислорода (анаэробные условия) сказывается на всем комплексе биохимических и экологических процессов в водном объекте.

Химическое потребление кислорода (ХПК) определяется как количество кислорода, необходимого для химического окисления содержащихся в единице объема воды органических и минеральных веществ.

Биохимическое потребление кислорода (БПК) определяется как количество кислорода, затрачиваемое на биохимическое окисление содержащихся в единице объема воды органических веществ за определенный период времени. БПК служит оценкой общего загрязнения воды легкоокисляемыми органическими веществами.

Водородный показатель (pH). От величины pH зависит скорость развития водных растений, характер протекания продукционных процессов и др. В природных водах концентрация ионов водорода зависит главным образом от соотношения концентрации угольной кислоты и ее ионов. Источниками содержания ионов водорода в воде являются также гуминовые кислоты, присутствующие в кислых почвах, и особенно в болотных водах, гидролиз солей тяжелых металлов.

Азот может находиться в природных водах в виде свободных молекул N₂ и разнообразных соединений в растворенном, коллоидном или взвешенном состояниях. В общем азоте природных вод принято выделять органическую и минеральную формы. Основными источниками поступления азота являются внутриводоемные процессы, газообмен с атмосферой, атмосферные осадки и антропогенные источники. Различные формы азота могут переходить одна в другую в процессе круговорота азота. Высокое содержание азота ускоряет процессы эвтрофирования водных объектов.

Фосфор в свободном состоянии в естественных условиях не встречается. В природных водах фосфор находится в виде органических и неорганических соединений. Основная масса фосфора находится во взвешенном состоянии. Соединения фосфора поступают в воду в результате внутриводоемных процессов, выветривания и растворения горных пород, обмена с донными отложениями и из антропогенных источников. На содержание различных форм фосфора оказывают влияние процессы его круговорота. В отличие от азота круговорот фосфора несбалансирован, что определяет его более низкое содержание в воде. Поэтому фосфор часто оказывается тем биогенным элементом, содержание которого определяет характер продукционных процессов в водных объектах.

Минеральный состав определяется по суммарному содержанию главных ионов: К⁺, Na⁺, Са²⁺ Mg²⁺, Cl^-, SO₄^2-, НCO₃^-. Как высокие, так и чрезмерно низкие показатели минерализации воды являются неблагоприятными для здоровья человека и развития гидробионтов.

К наиболее часто встречающимся специфическим химическим показателям качества воды относят содержание фенолов, нефтепродуктов, пестицидов и др.

Фенолы поступают в воду из антропогенных источников за счет метаболизма гидробионтов и биохимической трансформации органических веществ (гуминовые вещества, образующиеся в почвах и торфяниках). Фенолы оказывают токсическое воздействие на гидробионты и ухудшают органолептические свойства воды.

Нефтепродукты (топлива, масла, битумы и некоторые другие вещества) представляют собой смесь углеводородов различных классов. Источниками поступления нефтепродуктов являются утечки при их добыче, переработке и транспортировке, а также сточные (в том числе ливневые) воды. Входящие в состав нефтепродуктов углеводороды оказывают токсическое и в некоторой степени, наркотическое воздействие на живые организмы, поражая сердечно-сосудистую и нервную системы.

К поверхностно-активным веществам (ПАВ) относят органические вещества, обладающие резко выраженной способностью к адсорбции на поверхности раздела «воздух-жидкость». В подавляющем большинстве попадающие в воду ПАВ являются синтетическими (СПАВ). Они оказывают токсическое воздействие на гидробионты и человека, ухудшают газообмен водного объекта с атмосферой, снижают интенсивность внутриводоемных процессов, ухудшают органолептические свойства воды. СПАВ относятся к медленно разлагающимся веществам.

Пестициды объединяют большую группу искусственных хлорорганических и фосфорорганических веществ, применяемых для борьбы с сорняками, насекомыми, грызунами. Основными источниками их поступления в воду является поверхностный и дренажный сток с сельскохозяйственных территорий. Пестициды обладают токсическим, мутагенным и кумулятивным действием и разрушаются очень медленно.

Тяжелые металлы. К числу наиболее распространенных ТМ относятся ртуть, свинец, никель, хром, медь, цинк. Они обладают мутагенным и токсическим действием, резко снижают интенсивность биохимических процессов в водных объектах.

Действующие нормативы позволяют оценить качество воды, используемой для различных категорий водопользования:

• коммунально-бытовое (рекреационное) – купание, занятия спортом и отдых;

• хозяйственно-питьевое – источник хозяйственно-питьевого водоснабжения и для водоснабжения предприятий пищевой промышленности;

• рыбохозяйственное – среда обитания рыб и других водных организмов.

Нормативную базу оценки качества воды составляют общие требования к составу и свойствам воды (на основе физических, бактериологических, общих химических показателей) и значения предельно допустимых концентраций (ПДК) веществ в воде водных объектов. ПДК – максимальные концентрации, при которых вещества не оказывают прямого или опосредованного влияния на состояние здоровья населения (при воздействии на организм в течение всей жизни) и не ухудшают гигиенические условия водопользования.

При отсутствии значений ПДК временно устанавливаются ориентировочно допустимые уровни (ОДУ) нормированных веществ. Они определяются расчетами или экспериментальными методами прогноза токсичности и применяются только на стадии предупредительного санитарного надзора за проектируемыми и строящимися предприятиями, очистными сооружениями.

Все вещества по характеру своего отрицательного воздействия делятся на группы. Каждая группа объединяет вещества одинакового признака действия, который называют признаком вредности. Одно и то же вещество при различных концентрациях может проявлять различные признаки вредности.

Признак вредности, который проявляется при наименьшей концентрации вещества, называют лимитирующим признаком (показателем) вредности (ЛПВ).

В водных объектах коммунально-бытового и хозяйственнопитьевого водопользования различают три ЛПВ: органолептический, общесанитарный и санитарно-токсикологический.

В водных объектах рыбохозяйственного водопользования, кроме названных, выделяют еще два ЛПВ: токсикологический и рыбохозяйственный.

Органолептический показатель представляет наибольшую концентрацию данного вредного вещества, которая не вызывает изменения органолептических показателей воды.

Общесанитарный показатель определяет наибольшую концентрацию вредного вещества, которая еще не влияет на процессы самоочищения в водоеме, на водную флору и фауну.

Санитарно-токсикологический показатель характеризует наибольшую концентрацию вредного вещества в воде, установленную на основании длительного хронического эксперимента на животных, которая не вызывает у них заметных сдвигов в состоянии здоровья.

В соответствии с Санитарными правилами и нормами Беларуси установлены следующие общие требования к составу и свойствам воды водных объектов (табл. 3.2)

Таблица 3.2. Общие требования к составу и свойствам воды водных объектов в контрольных створах и местах питьевого, хозяйственно-бытового и рекреационного водопользования

Примечания. 1. Содержание в воде взвешенных веществ неприродного происхождения (хлопья гидроксидов металлов, образующихся при обработке сточных вод, частички асбеста, стекловолокна, базальта, капрона, лавсана и т. д.) не допускается. 2. Для централизованного водоснабжения; при нецентрализованном питьевом водоснабжении вода подлежит обеззараживанию. 3. В случае превышения указанных уровней радиоактивного загрязнения контролируемой воды проводится дополнительный контроль радионуклидного загрязнения в соответствии с действующими нормами радиационной безопасности; A_i – удельная активность i-го радионуклида в воде; YB_i – соответствующий уровень вмешательства для i-го радионуклида.

При наличии значений нескольких показателей можно оценить индекс загрязненности воды (ИЗВ), который рассчитывается как сумма приведенных к ПДК фактических показателей качества для шести основных загрязнителей воды:

где С_i – среднее значение определяемого показателя за период наблюдений (при гидрохимическом мониторинге это среднее значение за год), ПДК_i – предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества, 6 – лимитируемое число показателей, использующихся для расчета.

В качестве интегральной характеристики загрязненности поверхностных вод используют классы качества воды, которые установлены в зависимости от значения ИЗВ, в соответствии с действующими Методическими указаниями (табл. 3.3).

Таблица 3.3. Характеристики интегральной оценки качества воды

Предъявляемые требования к воде зависят от отрасли и технологии производства (температура, отсутствие грубых взвешенных частиц, стабильность, минимальность биозагрязнителей (охлаждение производственного оборудования), отсутствие примесей, вызывающих отложение накипи, коррозию металла (паросиловое хозяйство), низкая жесткость и др.).

Забор воды для нужд централизованного водоснабжения в большинстве населенных пунктах Беларуси осуществляется из подземных водных объектов, которые отвечают нормам и требованиям к источникам хозяйственно-питьевого водоснабжения и находятся на экологически благоприятных территориях.

Использование подземных вод основывается на исключительно удачном сочетании экологического и экономического факторов. Себестоимость питьевой воды из подземных источников в 3–4 раза ниже, чем из поверхностных. Качество используемых для водоснабжения подземных вод в основном соответствует нормативным требованиям. Однако загрязнения вместе со сточными водами могут проникать и в водоносные горизонты.

Основными природными загрязнениями подземных вод являются соединения железа и марганца. Железосодержащие воды в 80–90 % случаев содержат бикарбонатные формы (дегидрокарбонаты) железа. Основным методом обезжелезивания воды от бикарбонатных форм является аэрация и фильтрование через зернистые фильтры. Он заключается в пропускании воздуха через воду.

При этом протекает реакция окисления двухвалентного железа в трехвалентное:

4Fe + 3О₂ + 6Н₂О => 4Fe(OH)₃↓

Образовавшийся осадок гидроксида железа отстаивают, а затем отфильтровывают.

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

Ряд подземных вод характеризуется одновременным содержанием железа и марганца в виде минеральных или органических соединений гуминовых и жирных кислот. Обезжелезивание и демарганация проводятся путем аэрации, фильтрования, обработки сильным окислителем, известкования с коагулированием и др.

При использовании для централизованного водоснабжения поверхностных вод необходимо проводить соответствующую подготовку воды. Традиционные технологии подготовки питьевой воды основаны на физико-химических методах очистки и обеззараживания. Обработка природной воды состоит из ряда последовательных стадий: коагуляции, отстаивания, фильтрации, обеззараживания, а также, при необходимости, сорбции. Конструктивное оформление этих процессов включает смесители, отстойники, фильтры, адсорберы и др.

Коагуляция – это процесс слипания частиц, взвешенных в воде, с образованием более крупных агрегатов. В качестве коагулянтов в основном используются сульфат алюминия и хлорное железо. Помимо традиционных применяются новые эффективные реагенты отечественного и зарубежного производства (оксихлорид алюминия, основной сульфат алюминия и др.). В результате коагулирования воды образуются хлопьевидные взвеси.

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

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

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

Одним из основных методов обеззараживания воды является ее хлорирование с использованием жидкого хлора С1₂ и различных хлорреагентов – гипохлорита натрия NaCIO, гипохлорита кальция Са(CIO)₂, диоксида хлора CIO₂. Перспективным для хлорирования воды является применение гипохлорита натрия. Его получают непосредственно на водоочистной станции путем электролиза раствора поваренной соли. Использование гипохлорита натрия позволяет повысить экологическую и гигиеническую безопасность производства воды, уменьшить коррозию оборудования и трубопроводов, повысить экономичность производства.

При нормальных условиях хлорирования (содержание остаточного хлора не менее 0,5 мг/л при контакте в течение 30 мин) концентрация некоторых вирусов и бактерий уменьшается более чем на 99 %. Хлорирование воды эффективно по отношению к холерному вибриону, возбудителям брюшного тифа и дизентерии. Относительно устойчивыми к хлорированию остаются возбудители паратифа и микрококки, споровые формы, энтеровирусы, цисты простейших, синегнойная палочка и др. Поэтому для обеззараживания воды, содержащей микробиологические загрязнения, устойчивые к действию хлорреагентов, необходимо увеличить время контакта воды с хлором от 0,5 до 3 ч при содержании остаточного хлора в воде 5–0,6 мг/л.

При хлорировании воды образуются токсичные хлорорга-нические соединения: хлороформ, дихлорбромметан, бромоформ и др. Происходит это главным образом при наличии в воде таких органических соединений, как глюкоза, дубильная, галловая и гуминовые кислоты природного происхождения, которые взаимодействуют с активным хлором. Таким же свойством обладают и находящиеся в воде загрязняющие примеси антропогенного происхождения (фенолы, углеводороды). Использование повышенных доз хлора вызывает необходимость последующего дехлорирования воды на выходе из резервуаров или ее кипячения непосредственно у потребителя.

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

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

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

Выбор метода обеззараживания воды определяется на стадии проектирования водоподготовки в зависимости от конкретных качественных и количественных характеристик водо-потребления (табл. 3.4).

При наличии в водоисточнике большого количества антропогенных загрязнений применяются специальные методы очистки, к которым относятся озонирование и сорбционная очистка на активных углях.

Озон способен активно окислять как органические загрязнения (фенолы, нефтепродукты, пестициды, амины и др.), так и неорганические соединения железа, марганца и сероводород. В результате окисления органических веществ образуются альдегиды, кетоны, кислоты, которые также являются токсичными веществами.

Таблица 3.4. Сравнительная характеристика способов обеззараживания воды (Челноков, Ющенко, 2012)

Основным продуктом озонирования является формальдегид. Однако последующая сорбционная очистка воды на угольных фильтрах существенно уменьшает содержание формальдегида и других токсичных веществ. Основными недостатками метода озонирования являются его низкая растворимость в воде, собственная высокая токсичность и взрывоопасность.

Сорбционный метод применяется для увеличения степени очистки воды от неорганических и органических загрязнений, а также для удаления продуктов хлорирования и озонирования на заключительном этапе обработки воды. В качестве сорбционных материалов используются активные угли отечественного и зарубежного производства. Применяют два способа сорбции – введение порошкообразных активных углей непосредственно в воду (углевание воды) или фильтрация воды через гранулированный активированный уголь в сорбционном фильтре (адсорбере). Как показывает отечественный и зарубежный опыт, порошкообразные угли целесообразно применять лишь в периоды кратковременного ухудшения качества воды и в аварийных ситуациях.

Следует отметить, что вредные вещества могут поступать и образовываться в воде в процессе ее обработки на стадиях водоподготовки, а также вторично загрязняться в водопроводных трубах при транспортировке.

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

Контроль качества воды источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения осуществляется ежедневно местной санитарно-эпидемиологической службой и предприятием, эксплуатирующим водозаборные сооружения.