Очистка воды — это процесс удаления нежелательных химических веществ, биологических загрязнителей, взвешенных твердых частиц и газов из воды . Целью является получение воды, пригодной для определенных целей. Большая часть воды очищается и дезинфицируется для потребления человеком ( питьевая вода ), но очистка воды может также проводиться для множества других целей, включая медицинские, фармакологические, химические и промышленные применения. История очистки воды включает в себя широкий спектр методов. Используемые методы включают физические процессы, такие как фильтрация , седиментация и дистилляция ; биологические процессы, такие как медленные песчаные фильтры или биологически активный уголь ; химические процессы, такие как флокуляция и хлорирование ; и использование электромагнитного излучения, такого как ультрафиолетовый свет .
Очистка воды может снизить концентрацию твердых частиц, включая взвешенные частицы , паразитов , бактерии, водоросли , вирусы и грибки, а также снизить концентрацию ряда растворенных и твердых частиц.
Стандарты качества питьевой воды обычно устанавливаются правительствами или международными стандартами. Эти стандарты обычно включают минимальные и максимальные концентрации загрязняющих веществ в зависимости от предполагаемого использования воды.
Визуальный осмотр не может определить, является ли вода соответствующего качества. Простые процедуры, такие как кипячение или использование бытового фильтра с активированным углем , недостаточны для очистки всех возможных загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в воде из неизвестного источника. Даже природная родниковая вода , считавшаяся безопасной для всех практических целей в 19 веке, теперь должна быть проверена, прежде чем определять, какой вид очистки, если таковой вообще необходим. Химический и микробиологический анализ , хотя и являются дорогостоящими, являются единственным способом получить информацию, необходимую для принятия решения о подходящем методе очистки.
Целью обработки является удаление нежелательных компонентов из воды и обеспечение ее безопасности для питья или пригодности для определенных целей в промышленности или медицине. Для удаления загрязняющих веществ, таких как мелкие твердые частицы, микроорганизмы и некоторые растворенные неорганические и органические материалы или экологически стойкие фармацевтические загрязнители , доступны самые разные методы . Выбор метода будет зависеть от качества очищаемой воды, стоимости процесса очистки и стандартов качества, ожидаемых от обработанной воды.
Ниже приведены процессы, которые обычно используются на водоочистных сооружениях. Некоторые или большинство из них могут не использоваться в зависимости от масштаба сооружения и качества сырой (исходной) воды.
Чистая вода имеет pH, близкий к 7 (ни щелочная , ни кислая ). Морская вода может иметь значения pH от 7,5 до 8,4 (умеренно щелочная). Пресная вода может иметь широко варьирующиеся значения pH в зависимости от геологии водосборного бассейна или водоносного горизонта и влияния загрязняющих веществ ( кислотных дождей ). Если вода кислая (ниже 7), можно добавлять известь , кальцинированную соду или гидроксид натрия для повышения pH во время процессов очистки воды. Добавление извести увеличивает концентрацию ионов кальция, тем самым повышая жесткость воды. Для очень кислых вод принудительные дегазаторы могут быть эффективным способом повышения pH, удаляя из воды растворенный углекислый газ. [2] Подщелачивание воды помогает эффективно работать процессам коагуляции и флокуляции , а также помогает минимизировать риск растворения свинца из свинцовых труб и свинцового припоя в фитингах труб. Достаточная щелочность также снижает коррозионную активность воды по отношению к железным трубам. Кислота ( угольная кислота , соляная кислота или серная кислота ) может быть добавлена в щелочную воду в некоторых случаях для снижения pH. Щелочная вода (выше pH 7,0) не обязательно означает, что свинец или медь из водопроводной системы не будут растворены в воде. Способность воды осаждать карбонат кальция для защиты металлических поверхностей и снижения вероятности растворения токсичных металлов в воде является функцией pH, содержания минералов, температуры, щелочности и концентрации кальция. [3]
Одним из первых шагов в большинстве обычных процессов очистки воды является добавление химикатов для удаления взвешенных в воде частиц. Частицы могут быть неорганическими, такими как глина и ил , или органическими, такими как водоросли , бактерии, вирусы , простейшие и природные органические вещества . Неорганические и органические частицы способствуют мутности и цвету воды.
Добавление неорганических коагулянтов, таких как сульфат алюминия (или квасцы ) или соли железа (III), такие как хлорид железа (III), вызывает несколько одновременных химических и физических взаимодействий на частицах и между ними. В течение нескольких секунд отрицательные заряды на частицах нейтрализуются неорганическими коагулянтами. Также в течение нескольких секунд начинают образовываться осадки гидроксидов металлов ионов железа и алюминия. Эти осадки объединяются в более крупные частицы в результате естественных процессов, таких как броуновское движение , и посредством вынужденного смешивания, которое иногда называют флокуляцией . Аморфные гидроксиды металлов известны как «флокуляция». Крупные аморфные гидроксиды алюминия и железа (III) адсорбируют и опутывают частицы во взвешенном состоянии и облегчают удаление частиц с помощью последующих процессов седиментации и фильтрации . [ 4] : 8.2–8.3
Гидроксиды алюминия образуются в довольно узком диапазоне pH, обычно: от 5,5 до 7,7. Гидроксиды железа (III) могут образовываться в более широком диапазоне pH, включая уровни pH ниже, чем эффективные для квасцов, обычно: от 5,0 до 8,5. [5] : 679
В литературе много споров и путаницы по поводу использования терминов коагуляция и флокуляция: где заканчивается коагуляция и начинается флокуляция? На водоочистных сооружениях обычно используется высокоэнергетический, быстрый процесс смешивания (время задержки в секундах), в ходе которого добавляются коагулянтные химикаты, за которыми следуют флокуляционные бассейны (время задержки составляет от 15 до 45 минут), где низкие затраты энергии вращают большие лопасти или другие мягкие перемешивающие устройства для улучшения образования хлопьев. Фактически, процессы коагуляции и флокуляции продолжаются после добавления коагулянтов на основе солей металлов. [6] : 74–5
Органические полимеры были разработаны в 1960-х годах в качестве вспомогательных средств для коагулянтов и, в некоторых случаях, в качестве замены неорганическим коагулянтам на основе солей металлов. Синтетические органические полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения, несущие отрицательные, положительные или нейтральные заряды. Когда органические полимеры добавляются в воду с частицами, высокомолекулярные соединения адсорбируются на поверхности частиц и через межчастичные мостики объединяются с другими частицами, образуя хлопья. ПолиДАДМАХ является популярным катионным (положительно заряженным) органическим полимером, используемым в установках по очистке воды. [5] : 667–8
Вода, выходящая из флокуляционного бассейна, может попадать в отстойник , также называемый осветлителем или отстойником. Это большой резервуар с низкой скоростью воды, позволяющий хлопьям оседать на дно. Отстойник лучше всего располагать близко к флокуляционному бассейну, чтобы переход между двумя процессами не допускал осаждения или распада хлопьев. Отстойники могут быть прямоугольными, где вода течет из конца в конец, или круглыми, где поток идет от центра наружу. Отток отстойника обычно осуществляется через водослив, поэтому выходит только тонкий верхний слой воды, который дальше всего от шлама.
В 1904 году Аллен Хазен показал, что эффективность процесса седиментации является функцией скорости осаждения частиц, потока через резервуар и площади поверхности резервуара. Отстойники обычно проектируются в диапазоне скоростей перелива от 0,5 до 1,0 галлона в минуту на квадратный фут (или от 1250 до 2500 литров на квадратный метр в час). В целом эффективность отстойника не является функцией времени задержания или глубины резервуара. Хотя глубина резервуара должна быть достаточной, чтобы потоки воды не нарушали ил, и взаимодействие осажденных частиц поощрялось. Поскольку концентрация частиц в отстоянной воде увеличивается вблизи поверхности ила на дне резервуара, скорости осаждения могут увеличиваться из-за столкновений и агломерации частиц. Типичное время задержания для седиментации варьируется от 1,5 до 4 часов, а глубина резервуара варьируется от 10 до 15 футов (от 3 до 4,5 метров). [4] : 9,39–9,40 [5] : 790–1 [6] : 140–2, 171
К традиционным отстойникам можно добавлять пластинчатые осветлители , наклонные плоские пластины или трубы для улучшения эффективности удаления частиц. Наклонные пластины и трубы значительно увеличивают площадь поверхности, доступную для удаления частиц в соответствии с оригинальной теорией Хазена. Площадь поверхности земли, занимаемая отстойником с наклонными пластинами или трубами, может быть намного меньше, чем у обычного отстойника.
По мере того, как частицы оседают на дно отстойника, на дне резервуара образуется слой ила , который необходимо удалить и обработать. Количество образующегося ила значительно, часто от 3 до 5 процентов от общего объема очищаемой воды. Стоимость обработки и утилизации ила может повлиять на эксплуатационные расходы водоочистной станции. Отстойник может быть оборудован механическими очистными устройствами, которые постоянно очищают его дно, или же бассейн может периодически выводиться из эксплуатации и очищаться вручную.
Подкатегория седиментации — это удаление частиц путем захвата в слое взвешенных хлопьев, когда вода нагнетается вверх. Главное преимущество осветлителей с флокуляционным слоем заключается в том, что они занимают меньшую площадь, чем обычное седиментирование. Недостатки заключаются в том, что эффективность удаления частиц может сильно варьироваться в зависимости от изменений качества входящей воды и скорости потока входящей воды. [5] : 835–6
Когда частицы, которые необходимо удалить, не оседают из раствора легко, часто используется флотация растворенным воздухом (DAF). После процессов коагуляции и флокуляции вода поступает в резервуары DAF, где воздушные диффузоры на дне резервуара создают мелкие пузырьки, которые прикрепляются к хлопьям, в результате чего образуется плавающая масса концентрированных хлопьев. Плавающий слой хлопьев удаляется с поверхности, а осветленная вода забирается со дна резервуара DAF. Водоснабжение, которое особенно уязвимо для цветения одноклеточных водорослей, и водоснабжение с низкой мутностью и яркой цветностью часто использует DAF. [4] : 9.46
После отделения большей части хлопьев вода фильтруется на последнем этапе для удаления оставшихся взвешенных частиц и неосевших хлопьев.
Наиболее распространенным типом фильтра является быстрый песчаный фильтр . Вода движется вертикально через песок, который часто имеет слой активированного угля или антрацитового угля над песком. Верхний слой удаляет органические соединения, которые способствуют вкусу и запаху. Пространство между частицами песка больше, чем самые мелкие взвешенные частицы, поэтому простой фильтрации недостаточно. Большинство частиц проходят через поверхностные слои, но задерживаются в порах или прилипают к частицам песка. Эффективная фильтрация распространяется на глубину фильтра. Это свойство фильтра является ключевым для его работы: если верхний слой песка заблокирует все частицы, фильтр быстро засорится. [7]
Для очистки фильтра вода быстро пропускается вверх через фильтр, в противоположном нормальному направлению (называется обратной промывкой или обратной промывкой ) для удаления внедренных или нежелательных частиц. Перед этим этапом сжатый воздух может быть продут через дно фильтра, чтобы разбить уплотненный фильтрующий материал и способствовать процессу обратной промывки; это известно как очистка воздухом . Эту загрязненную воду можно утилизировать вместе с шламом из отстойника или переработать, смешав с сырой водой, поступающей на установку, хотя это часто считается плохой практикой, поскольку это снова вносит повышенную концентрацию бактерий в сырую воду.
Некоторые водоочистные сооружения используют напорные фильтры. Они работают по тому же принципу, что и скорые гравитационные фильтры, отличаясь тем, что фильтрующая среда заключена в стальной сосуд, а вода продавливается через него под давлением.
Преимущества:
Медленные песчаные фильтры могут использоваться там, где достаточно земли и пространства, так как вода протекает через фильтры очень медленно. Эти фильтры полагаются на биологические процессы очистки для своего действия, а не на физическую фильтрацию. Они тщательно сконструированы с использованием градуированных слоев песка, с самым крупным песком вместе с некоторым количеством гравия внизу и самым мелким песком вверху. Дренажи у основания отводят очищенную воду для дезинфекции. Фильтрация зависит от развития тонкого биологического слоя, называемого зооглеевым слоем или Schmutzdecke , на поверхности фильтра. Эффективный медленный песчаный фильтр может оставаться в эксплуатации в течение многих недель или даже месяцев, если предварительная обработка хорошо спроектирована, и производит воду с очень низким уровнем доступных питательных веществ, чего редко достигают физические методы очистки. Очень низкие уровни питательных веществ позволяют безопасно направлять воду через распределительные системы с очень низким уровнем дезинфицирующих средств, тем самым уменьшая раздражение потребителя из-за агрессивного уровня хлора и побочных продуктов хлора. Медленные песчаные фильтры не промываются обратной промывкой; они обслуживаются путем соскабливания верхнего слоя песка, когда поток в конечном итоге блокируется биологическим ростом. [8]
При фильтрации на берегу естественные отложения на берегу реки используются для обеспечения первой стадии фильтрации загрязняющих веществ. Хотя вода, полученная из сопутствующих скважин, обычно недостаточно чистая, чтобы ее можно было использовать напрямую для питья, она гораздо менее проблемна, чем речная вода, взятая непосредственно из реки.
Мембранные фильтры широко используются для фильтрации как питьевой воды, так и сточных вод . Для питьевой воды мембранные фильтры могут удалять практически все частицы размером более 0,2 мкм, включая Giardia и Cryptosporidium . Мембранные фильтры являются эффективной формой третичной очистки, когда желательно повторно использовать воду для промышленности, для ограниченных бытовых целей или перед сбросом воды в реку, которая используется городами ниже по течению. Они широко используются в промышленности, особенно для приготовления напитков (включая бутилированную воду ). Однако никакая фильтрация не может удалить вещества, которые фактически растворены в воде, такие как фосфаты , нитраты и ионы тяжелых металлов .
Ультрафильтрационные мембраны используют полимерные мембраны с химически сформированными микроскопическими порами, которые могут быть использованы для фильтрации растворенных веществ без использования коагулянтов. Тип мембранной среды определяет, какое давление необходимо для прохождения воды и какие размеры микроорганизмов могут быть отфильтрованы. [ необходима цитата ]
Ионный обмен : [9] Ионообменные системы используют колонки с ионообменной смолой или цеолитом для замены нежелательных ионов. Наиболее распространенным случаем является умягчение воды , заключающееся в удалении ионов Ca2 + и Mg2 + путем замены их на безвредные (дружелюбные к мылу) ионы Na + или K + . Ионообменные смолы также используются для удаления токсичных ионов, таких как нитрит , свинец, ртуть , мышьяк и многие другие.
Осадительное умягчение : [4] : 13,12–13,58 Вода с высоким содержанием жесткости ( ионы кальция и магния ) обрабатывается известью ( оксидом кальция ) и/или кальцинированной содой ( карбонатом натрия ) для осаждения карбоната кальция из раствора с использованием эффекта общего иона .
Электродеионизация : [9] Вода пропускается между положительным и отрицательным электродами. Ионообменные мембраны позволяют только положительным ионам перемещаться из обработанной воды к отрицательному электроду и только отрицательным ионам к положительному электроду. Высокочистая деионизированная вода производится непрерывно, аналогично ионообменной очистке. Полное удаление ионов из воды возможно при соблюдении правильных условий. Вода обычно предварительно обрабатывается с помощью установки обратного осмоса для удаления неионных органических загрязнителей и с помощью газопереносных мембран для удаления углекислого газа . Восстановление воды на уровне 99% возможно, если поток концентрата подается на вход обратного осмоса.
Дезинфекция достигается как путем фильтрации вредных микроорганизмов, так и путем добавления дезинфицирующих химикатов. Вода дезинфицируется для уничтожения любых патогенов , которые проходят через фильтры, и для обеспечения остаточной дозы дезинфицирующего средства для уничтожения или инактивации потенциально вредных микроорганизмов в системах хранения и распределения. Возможные патогены включают вирусы , бактерии, включая сальмонеллу , холеру , кампилобактеры и шигеллы , и простейшие , включая лямблии и другие криптоспоридии . После введения любого химического дезинфицирующего агента вода обычно хранится во временном хранилище — часто называемом контактным резервуаром или чистым колодцем — для завершения дезинфицирующего действия.
Наиболее распространенный метод дезинфекции включает в себя некоторую форму хлора или его соединений, таких как хлорамин или диоксид хлора . Хлор является сильным окислителем , который быстро убивает многие вредные микроорганизмы. Поскольку хлор является токсичным газом, существует опасность выброса, связанного с его использованием. Эта проблема избегается с помощью использования гипохлорита натрия , который является относительно недорогим раствором, используемым в бытовом отбеливателе, который выделяет свободный хлор при растворении в воде. Растворы хлора можно получать на месте путем электролиза растворов обычной соли. Твердая форма, гипохлорит кальция , выделяет хлор при контакте с водой. Однако обращение с твердым веществом требует более рутинного контакта с человеком посредством открытия мешков и выливания, чем использование газовых баллонов или отбеливателя, которые легче автоматизировать. Получение жидкого гипохлорита натрия является недорогим и также безопаснее, чем использование газообразного или твердого хлора. Уровни хлора до 4 миллиграммов на литр (4 части на миллион) считаются безопасными в питьевой воде. [10]
Все формы хлора широко используются, несмотря на их недостатки. Одним из недостатков является то, что хлор из любого источника реагирует с природными органическими соединениями в воде, образуя потенциально вредные химические побочные продукты. Эти побочные продукты, тригалометаны (ТГМ) и галоуксусные кислоты (ГАК), являются канцерогенными в больших количествах и регулируются Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и Инспекцией по питьевой воде в Великобритании. Образование ТГМ и галоуксусных кислот можно свести к минимуму путем эффективного удаления как можно большего количества органических веществ из воды перед добавлением хлора. Хотя хлор эффективен в уничтожении бактерий, он имеет ограниченную эффективность против патогенных простейших, которые образуют цисты в воде, таких как Giardia lamblia и Cryptosporidium .
Диоксид хлора — более быстродействующее дезинфицирующее средство, чем элементарный хлор. Он используется относительно редко, поскольку в некоторых случаях может образовываться избыточное количество хлорита , побочного продукта, содержание которого в США регулируется на низком допустимом уровне. Диоксид хлора может поставляться в виде водного раствора и добавляться в воду, чтобы избежать проблем с обработкой газа; скопления газообразного диоксида хлора могут спонтанно детонировать.
Использование хлорамина становится все более распространенным в качестве дезинфицирующего средства. Хотя хлорамин не такой сильный окислитель, он обеспечивает более длительный остаточный эффект, чем свободный хлор, из-за его более низкого окислительно-восстановительного потенциала по сравнению со свободным хлором. Он также нелегко образует ТГМ или галоуксусные кислоты ( побочные продукты дезинфекции ).
Можно преобразовать хлор в хлорамин, добавив аммиак в воду после добавления хлора. Хлор и аммиак реагируют, образуя хлорамин. Системы распределения воды, продезинфицированные хлораминами, могут подвергаться нитрификации , поскольку аммиак является питательным веществом для роста бактерий, а нитраты образуются как побочный продукт.
Озон — это нестабильная молекула, которая легко отдает один атом кислорода, образуя мощный окислитель, который токсичен для большинства организмов, переносимых водой. Это очень сильное дезинфицирующее средство широкого спектра действия, которое широко используется в Европе и в нескольких муниципалитетах в Соединенных Штатах и Канаде. Дезинфекция озоном, или озонирование, является эффективным методом инактивации вредных простейших, которые образуют цисты. Он также хорошо работает против почти всех других патогенов. Озон производится путем пропускания кислорода через ультрафиолетовый свет или «холодный» электрический разряд. Чтобы использовать озон в качестве дезинфицирующего средства, его необходимо создать на месте и добавить в воду путем пузырькового контакта. Некоторые из преимуществ озона включают производство меньшего количества опасных побочных продуктов и отсутствие проблем со вкусом и запахом (по сравнению с хлорированием ). В воде не остается остаточного озона. [11] При отсутствии остаточного дезинфицирующего средства в воде хлор или хлорамин можно добавлять по всей системе распределения для удаления любых потенциальных патогенов в распределительном трубопроводе.
Озон используется на заводах по производству питьевой воды с 1906 года, когда в Ницце , Франция, была построена первая промышленная установка озонирования. Управление по контролю за продуктами и лекарствами США признало озон безопасным; и он применяется в качестве антимикробного средства для обработки, хранения и переработки пищевых продуктов. Однако, хотя при озонировании образуется меньше побочных продуктов, было обнаружено, что озон реагирует с ионами брома в воде, образуя концентрации предполагаемого канцерогена бромата . Бромид можно обнаружить в источниках пресной воды в достаточных концентрациях для производства (после озонирования) более 10 частей на миллиард (ppb) бромата — максимального уровня загрязнения, установленного USEPA. [12] Дезинфекция озоном также является энергоемкой.
Ультрафиолетовый свет (УФ) очень эффективен для инактивации цист в воде с низкой мутностью. Эффективность дезинфекции УФ-излучением снижается по мере увеличения мутности в результате поглощения , рассеивания и затенения, вызванных взвешенными твердыми частицами. Основным недостатком использования УФ-излучения является то, что, как и обработка озоном, оно не оставляет остаточного дезинфицирующего средства в воде; поэтому иногда необходимо добавлять остаточное дезинфицирующее средство после первичного процесса дезинфекции. Это часто делается путем добавления хлораминов, обсуждавшихся выше в качестве первичного дезинфицирующего средства. При таком использовании хлорамины обеспечивают эффективное остаточное дезинфицирующее средство с очень небольшим количеством отрицательных эффектов хлорирования.
Более 2 миллионов человек в 28 развивающихся странах используют солнечную дезинфекцию для ежедневной очистки питьевой воды. [13]
Подобно ультрафиолетовому излучению, ионизирующее излучение (рентгеновские лучи, гамма-лучи и электронные пучки) использовалось для стерилизации воды. [ необходима цитата ]
Бром и йод также могут использоваться в качестве дезинфицирующих средств. Однако хлор в воде более чем в три раза эффективнее в качестве дезинфицирующего средства против Escherichia coli , чем эквивалентная концентрация брома , и более чем в шесть раз эффективнее эквивалентной концентрации йода . [14] Йод обычно используется для очистки портативной воды , а бром — в качестве дезинфицирующего средства для бассейнов .
Для дезинфекции и обработки в чрезвычайных ситуациях или в отдаленных местах доступны портативные устройства и методы очистки воды. Дезинфекция является основной целью, поскольку эстетические соображения, такие как вкус, запах, внешний вид и следы химического загрязнения, не влияют на краткосрочную безопасность питьевой воды.
Другие популярные методы очистки воды, особенно для местных частных систем водоснабжения, перечислены ниже. В некоторых странах некоторые из этих методов используются для крупномасштабных муниципальных систем водоснабжения. Особенно важны дистилляция ( опреснение морской воды ) и обратный осмос.
Доведение воды до точки кипения (около 100 °C или 212 F на уровне моря) является старейшим и наиболее эффективным способом, поскольку он устраняет большинство микробов, вызывающих кишечные заболевания, [19] но он не может удалить химические токсины или примеси. [20] Для здоровья человека полная стерилизация воды не требуется, поскольку термостойкие микробы не поражают кишечник. [19] Традиционный совет кипятить воду в течение десяти минут в основном предназначен для дополнительной безопасности, поскольку микробы начинают погибать при температуре выше 60 °C (140 °F). Хотя точка кипения снижается с увеличением высоты, этого недостаточно для дезинфекции. [19] [21] В районах, где вода «жесткая» (то есть содержащая значительное количество растворенных солей кальция), кипячение разлагает ионы бикарбоната , что приводит к частичному осаждению в виде карбоната кальция . Это «налет», который образуется на элементах чайника и т. д. в районах с жесткой водой. За исключением кальция, кипячение не удаляет растворенные вещества с более высокой температурой кипения, чем вода, и фактически увеличивает их концентрацию (из-за потери некоторого количества воды в виде пара). Кипячение не оставляет остаточного дезинфицирующего средства в воде. Поэтому вода, которая кипятится и затем хранится в течение длительного времени, может приобрести новые патогены.
Гранулированный активированный уголь — это форма активированного угля с большой площадью поверхности. Он адсорбирует многие соединения, включая многие токсичные соединения. Вода, проходящая через активированный уголь, обычно используется в муниципальных районах с органическими загрязнениями, привкусом или запахом. Многие бытовые фильтры для воды и аквариумы используют фильтры с активированным углем для очистки воды. Бытовые фильтры для питьевой воды иногда содержат серебро в виде наночастиц металлического серебра . Если вода удерживается в угольном блоке в течение длительного времени, внутри могут размножаться микроорганизмы, что приводит к загрязнению и загрязнению. Наночастицы серебра являются отличным антибактериальным материалом и могут разлагать токсичные галоидорганические соединения, такие как пестициды, на нетоксичные органические продукты. [22] Отфильтрованную воду необходимо использовать вскоре после фильтрации, так как небольшое количество оставшихся микробов может размножаться с течением времени. В целом, эти домашние фильтры удаляют более 90% хлора в стакане очищенной воды. Эти фильтры необходимо периодически заменять, в противном случае бактериальное содержание воды может фактически увеличиться из-за роста бактерий внутри фильтрующего блока. [11]
Дистилляция включает кипячение воды для получения водяного пара . Пар контактирует с холодной поверхностью, где он конденсируется в жидкость. Поскольку растворенные вещества обычно не испаряются, они остаются в кипящем растворе. Даже дистилляция не очищает воду полностью из-за загрязняющих веществ с похожими точками кипения и капель неиспарившейся жидкости, переносимых паром. Однако с помощью дистилляции можно получить воду на 99,9% чистой.
При прямой контактной мембранной дистилляции (DCMD) нагретая морская вода проходит вдоль поверхности гидрофобной полимерной мембраны. Испаренная вода проходит с горячей стороны через поры в мембране, образуя поток холодной чистой воды на другой стороне. Разница в давлении пара между горячей и холодной стороной помогает проталкивать молекулы воды.
Обратный осмос включает механическое давление, применяемое для проталкивания воды через полупроницаемую мембрану . Загрязнители остаются на другой стороне мембраны. Обратный осмос теоретически является наиболее тщательным методом крупномасштабной очистки воды, хотя идеальные полупроницаемые мембраны трудно создать. Если мембраны не обслуживаются должным образом, водоросли и другие формы жизни могут колонизировать мембраны. [23]
Углекислый газ или другой газ с низкой молекулярной массой можно смешивать с загрязненной водой при высоком давлении и низкой температуре, чтобы экзотермически образовать кристаллы гидрата газа. Гидрат можно отделить центрифугированием или седиментацией. Вода может быть выделена из кристаллов гидрата путем нагревания. [24]
Химическое окисление in situ (ISCO) — это усовершенствованный процесс окисления. Он используется для очистки почвы и/или грунтовых вод с целью снижения концентрации целевых загрязняющих веществ. ISCO осуществляется путем инъекции или иного введения окислителей в загрязненную среду (почву или грунтовые воды) для уничтожения загрязняющих веществ. Его можно использовать для очистки различных органических соединений, включая некоторые, устойчивые к естественному разложению.
Биоремедиация использует микроорганизмы для удаления отходов из загрязненной области. С 1991 года биоремедиация была предложенной тактикой для удаления примесей, таких как алканы, перхлораты и металлы. [25] Биоремедиация оказалась успешной, поскольку перхлораты хорошо растворимы, что затрудняет их удаление. [26] Примеры применения штамма Dechloromonas agitata CKB включают полевые исследования, проведенные в Мэриленде и на юго-западе США. [26] [27] [28]
Перекись водорода ( H
2О
2) — распространенное дезинфицирующее средство, которое может очищать воду. Обычно его производят на химических заводах и транспортируют в загрязненную воду. Альтернативный подход использует золото-палладиевый катализатор для синтеза H
2О
2из атомов водорода и кислорода в месте использования. Последний, как сообщается, быстрее и в 10 7 раз более эффективен в уничтожении Escherichia coli , чем коммерческий H
2О
2, и более чем в 10 8 раз эффективнее хлора. Каталитическая реакция также производит активные формы кислорода (ROS), которые связывают и разрушают другие соединения. [29]
В апреле 2007 года водоснабжение города Спенсер, штат Массачусетс , США, было загрязнено избыточным количеством гидроксида натрия (щелочи) из-за неисправности очистного оборудования. [30]
Многие муниципалитеты перешли от свободного хлора к хлорамину в качестве дезинфицирующего средства. Однако хлорамин, по-видимому, является едким веществом в некоторых системах водоснабжения. Хлорамин может растворять «защитную» пленку внутри старых линий обслуживания, что приводит к выщелачиванию свинца в жилые краны. Это может привести к вредному воздействию, включая повышенный уровень свинца в крови . Свинец является известным нейротоксином . [31]
Дистилляция удаляет все минералы из воды, а мембранные методы обратного осмоса и нанофильтрации удаляют большую часть всех минералов. Это приводит к деминерализованной воде, которая не считается идеальной питьевой водой . Всемирная организация здравоохранения изучает влияние деминерализованной воды на здоровье с 1980 года. [32] Эксперименты на людях показали, что деминерализованная вода увеличивает диурез и выведение электролитов , при этом снижается концентрация калия в сыворотке крови . Магний , кальций и другие минералы в воде могут помочь защитить от дефицита питательных веществ. Деминерализованная вода также может увеличить риск от токсичных металлов, поскольку она более легко выщелачивает материалы из труб, такие как свинец и кадмий, что предотвращается растворенными минералами, такими как кальций и магний. Низкоминерализованная вода была замешана в конкретных случаях отравления свинцом у младенцев, когда свинец из труб выщелачивался в воду с особенно высокой скоростью. Рекомендации по магнию были установлены на уровне минимум 10 мг/л с оптимумом 20–30 мг/л; для кальция минимум 20 мг/л и оптимум 40–80 мг/л, а общая жесткость воды (с добавлением магния и кальция) от 2 до 4 ммоль /л. При жесткости воды выше 5 ммоль/л наблюдается более высокая частота возникновения желчных камней, камней в почках, мочевых камней, артрозов и артропатий. [33] Кроме того, процессы опреснения могут увеличить риск бактериального заражения. [33]
Производители домашних дистилляторов утверждают обратное — что минералы в воде являются причиной многих заболеваний, и что большинство полезных минералов поступают из пищи, а не из воды. [34] [35]
Первые эксперименты по фильтрации воды были проведены в 17 веке. Сэр Фрэнсис Бэкон попытался опреснить морскую воду, пропустив поток через песчаный фильтр . Хотя его эксперимент не увенчался успехом, он ознаменовал начало нового интереса в этой области. Отцы микроскопии , Антони ван Левенгук и Роберт Гук , использовали недавно изобретенный микроскоп, чтобы впервые наблюдать мелкие частицы материала, которые находились во взвешенном состоянии в воде, заложив основу для будущего понимания патогенов, передающихся через воду. [36]
Первое задокументированное использование песчаных фильтров для очистки водоснабжения датируется 1804 годом, когда владелец отбеливателя в Пейсли, Шотландия , Джон Гибб, установил экспериментальный фильтр, продавая свои нежелательные излишки населению. [37] Этот метод был усовершенствован в последующие два десятилетия инженерами, работавшими в частных водопроводных компаниях, и его кульминацией стало первое в мире очищенное общественное водоснабжение, установленное инженером Джеймсом Симпсоном для компании Chelsea Waterworks в Лондоне в 1829 году. [38] Эта установка обеспечивала отфильтрованной водой каждого жителя этого района, и конструкция сети была широко скопирована по всему Соединенному Королевству в последующие десятилетия.
Практика очистки воды вскоре стала общепринятой и распространенной, и достоинства системы стали совершенно очевидны после исследований врача Джона Сноу во время вспышки холеры на Брод-стрит в 1854 году . Сноу скептически относился к господствовавшей тогда теории миазмов , которая утверждала, что болезни вызываются вредными «плохими воздухами». Хотя микробная теория болезней еще не была разработана, наблюдения Сноу заставили его отказаться от преобладающей теории. Его эссе 1855 года « О способе передачи холеры» убедительно продемонстрировало роль водоснабжения в распространении эпидемии холеры в Сохо [ 39] [40] с использованием карты распределения точек и статистических доказательств для иллюстрации связи между качеством источника воды и случаями холеры. Его данные убедили местный совет отключить водяной насос, что быстро положило конец вспышке.
Акт о воде метрополии ввел регулирование компаний по водоснабжению в Лондоне, включая минимальные стандарты качества воды впервые. Акт «предусматривал обеспечение поставок в метрополию чистой и полезной воды» и требовал, чтобы вся вода была «эффективно отфильтрована» с 31 декабря 1855 года. [41] За этим последовало законодательство об обязательной проверке качества воды, включая комплексный химический анализ, в 1858 году. Это законодательство создало всемирный прецедент для подобных государственных вмешательств в здравоохранение по всей Европе. В то же время была сформирована Комиссия по канализации метрополии , по всей стране была принята фильтрация воды, и новые водозаборы на Темзе были установлены выше шлюза Теддингтон . Автоматические фильтры давления, где вода под давлением пропускается через систему фильтрации, были изобретены в 1899 году в Англии. [37]
Джон Сноу был первым, кто успешно использовал хлор для дезинфекции водоснабжения в Сохо , что способствовало распространению вспышки холеры. Уильям Сопер также использовал хлорированную известь для обработки сточных вод, производимых больными тифом в 1879 году.
В статье, опубликованной в 1894 году, Мориц Траубе официально предложил добавлять хлорид извести ( гипохлорит кальция ) в воду, чтобы сделать ее «безмикробной». Два других исследователя подтвердили выводы Траубе и опубликовали свои статьи в 1895 году. [42] Первые попытки внедрения хлорирования воды на водоочистных сооружениях были предприняты в 1893 году в Гамбурге , Германия, а в 1897 году город Мейдстоун , Англия, стал первым, где весь запас воды был обработан хлором. [43]
Постоянное хлорирование воды началось в 1905 году, когда неисправный медленный песчаный фильтр и загрязненное водоснабжение привели к серьезной эпидемии брюшного тифа в Линкольне, Англия . [44] Александр Круикшанк Хьюстон использовал хлорирование воды, чтобы остановить эпидемию. Его установка подавала концентрированный раствор хлорида извести в очищаемую воду. Хлорирование водоснабжения помогло остановить эпидемию, и в качестве меры предосторожности хлорирование продолжалось до 1911 года, когда был введен новый водопровод. [45]
Первое постоянное использование хлора в Соединенных Штатах для дезинфекции имело место в 1908 году в водохранилище Бунтон (на реке Рокавей ), которое служило источником водоснабжения для Джерси-Сити, штат Нью-Джерси . [46] Хлорирование достигалось путем контролируемого добавления разбавленных растворов хлорида кальция ( гипохлорита кальция ) в дозах от 0,2 до 0,35 частей на миллион. Процесс обработки был задуман Джоном Л. Лилом, а хлораторная установка была спроектирована Джорджем Уорреном Фуллером. [47] В течение следующих нескольких лет дезинфекция хлором с использованием хлорида кальция была быстро установлена в системах питьевого водоснабжения по всему миру. [48]
Метод очистки питьевой воды с использованием сжатого сжиженного хлорного газа был разработан британским офицером Индийской медицинской службы Винсентом Б. Несфилдом в 1903 году. По его собственному рассказу:
Мне пришло в голову, что хлорный газ может быть признан удовлетворительным... если можно будет найти подходящие средства для его использования... Следующим важным вопросом было то, как сделать газ переносимым. Это можно было сделать двумя способами: сжижая его и храня в свинцовых железных сосудах, имеющих форсунку с очень тонким капиллярным каналом и снабженных краном или винтовой крышкой. Кран открывают, и цилиндр помещают в необходимое количество воды. Хлор выделяется пузырьками, и через десять-пятнадцать минут вода становится абсолютно безопасной. Этот метод можно было бы использовать в больших масштабах, например, для тележек с технической водой. [49]
Майор армии США Карл Роджерс Дарналл , профессор химии в Военно-медицинской школе , дал первую практическую демонстрацию этого в 1910 году. Вскоре после этого майор Уильям Дж. Л. Листер из Военно-медицинского департамента использовал раствор гипохлорита кальция в льняном мешке для очистки воды. В течение многих десятилетий метод Листера оставался стандартом для сухопутных войск США в полевых условиях и в лагерях, реализованный в форме знакомого мешка Листера (также называемого мешком Листера). Мешок был сделан из холста и мог вмещать 36 галлонов воды. Он был пористым и удерживался веревками, очищая воду с помощью раствора гипохлорита кальция. К каждому мешку был прикреплен кран, который использовался для слива воды для тестирования, а также для выдачи для использования. Это стало основой для современных систем очистки муниципальной воды . [50]
Согласно отчету Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) за 2007 год, 1,1 миллиарда человек не имеют доступа к улучшенному питьевому водоснабжению ; 88% из 4 миллиардов ежегодных случаев диарейных заболеваний связаны с небезопасной водой и неадекватной санитарией и гигиеной, в то время как 1,8 миллиона человек умирают от диарейных заболеваний каждый год. ВОЗ оценивает, что 94% этих случаев диарейных заболеваний можно предотвратить путем изменения окружающей среды, включая доступ к безопасной воде. [51] Простые методы обработки воды в домашних условиях, такие как хлорирование, фильтры и солнечная дезинфекция, а также ее хранение в безопасных емкостях, могут спасти огромное количество жизней каждый год. [52] Сокращение смертности от заболеваний, передающихся через воду, является одной из основных целей общественного здравоохранения в развивающихся странах.
Мировой рынок очистки воды оценивается в 22 миллиарда долларов. [53] Домашние фильтры и очистители воды в Индии являются обычным явлением. [54]
