Очистка воды — это процесс удаления из воды нежелательных химических веществ, биологических загрязнений, взвешенных твердых частиц и газов . Цель состоит в том, чтобы производить воду, пригодную для конкретных целей. Большая часть воды очищается и дезинфицируется для потребления человеком ( питьевая вода ), но очистка воды также может осуществляться для множества других целей, включая медицинские, фармакологические, химические и промышленные применения. История очистки воды включает в себя большое разнообразие методов. Используемые методы включают физические процессы, такие как фильтрация , осаждение и дистилляция ; биологические процессы, такие как медленные песочные 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 , бактерий, водорослей , вирусов и грибков, а также снизить концентрацию ряда растворенных веществ 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, соответствует ли вода надлежащему качеству. Простых процедур, таких как кипячение или использование бытового фильтра с активированным углем, недостаточно для очистки всех возможных загрязнений, которые могут присутствовать в воде из неизвестного источника. Даже природную родниковую воду , которая в XIX веке считалась безопасной для всех практических целей, теперь необходимо проверять, прежде чем определить, какая обработка необходима, если таковая имеется. Химический и микробиологический анализ , хотя и дорог, но являются единственным способом получить информацию, необходимую для принятия решения о соответствующем методе очистки.
Целью обработки является удаление нежелательных компонентов из воды и сделать ее безопасной для питья или пригодной для конкретных целей в промышленности или медицине. Доступны самые разнообразные методы удаления таких загрязнений, как мелкие твердые частицы, микроорганизмы и некоторые растворенные неорганические и органические материалы, а также стойкие фармацевтические загрязнители окружающей среды . Выбор метода будет зависеть от качества очищаемой воды, стоимости процесса очистки и ожидаемых стандартов качества обрабатываемой воды.
Описанные ниже процессы обычно используются на водоочистных станциях. Некоторые или большинство из них могут не использоваться в зависимости от масштаба установки и качества сырой (исходной) воды.
Чистая вода имеет pH около 7 (ни щелочная , ни кислая ). Морская вода может иметь значения pH от 7,5 до 8,4 (умеренно щелочная). Пресная вода может иметь широкий диапазон значений pH в зависимости от геологии водосборного бассейна или водоносного горизонта и влияния поступления загрязняющих веществ ( кислотных дождей ). Если вода кислая (ниже 7), можно добавить 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 сильнокислых вод дегазаторы с принудительной тягой могут быть эффективным способом повышения pH за счет удаления растворенного углекислого газа из воды. [2] Подщелачивание воды помогает эффективно работать процессам коагуляции и флокуляции , а также помогает свести к минимуму риск растворения свинца из свинцовых труб и свинцового припоя в трубопроводной арматуре. Достаточная щелочность также снижает коррозионное воздействие воды на железные трубы. Кислоту ( угольную кислоту , соляную кислоту или серную кислоту ) можно добавлять в щелочную воду в некоторых случаях для снижения pH. Щелочная вода (рН выше 7,0) не обязательно означает, что свинец или медь из водопроводной системы не растворятся в воде. Способность воды осаждать карбонат кальция для защиты металлических поверхностей и снижения вероятности растворения токсичных металлов в воде зависит от pH, содержания минералов, температуры, щелочности и концентрации кальция. [3]
Одним из первых этапов большинства традиционных процессов очистки воды является добавление химикатов, способствующих удалению взвешенных в воде частиц. Частицы могут быть неорганическими, например, глина и ил , или органическими, например , 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 солей железа (III), таких как хлорид железа (III), вызывает несколько одновременных химических и физических взаимодействий на частицах и между ними. В течение нескольких секунд отрицательные заряды частиц нейтрализуются неорганическими коагулянтами. Также в течение нескольких секунд начинают образовываться осадки гидроксидов металлов и ионов железа и алюминия. Эти осадки объединяются в более крупные частицы в результате естественных процессов, таких как броуновское движение , а также посредством индуцированного перемешивания, которое иногда называют флокуляцией . Аморфные гидроксиды металлов известны как «флоки». Крупные аморфные гидроксиды алюминия и железа (III) адсорбируют и связывают частицы в суспензии и облегчают удаление частиц последующими процессами седиментации и фильтрации . [4] : 8,2–8,3
Гидроксиды алюминия образуются в довольно узком диапазоне pH, обычно от 5,5 до примерно 7,7. Гидроксиды железа (III) могут образовываться в более широком диапазоне pH, включая уровни pH ниже, чем эффективны для квасцов, обычно от 5,0 до 8,5. [5] : 679
В литературе существует много споров и путаницы по поводу использования терминов «коагуляция» и «флокуляция»: где заканчивается коагуляция и начинается флокуляция? На водоочистных станциях обычно применяется высокоэнергетический процесс быстрого смешивания (время задержки в секундах), при котором добавляются химические вещества-коагулянты с последующей флокуляцией (время задержки варьируется от 15 до 45 минут), где низкие энергозатраты приводят в движение большие лопасти или другие устройства для бережного перемешивания 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 заменителей коагулянтов на основе неорганических солей металлов. Синтетические органические полимеры представляют собой высокомолекулярные соединения, несущие отрицательный, положительный или нейтральный заряд. Когда органические полимеры добавляются в воду с частицами, соединения с высокой молекулярной массой адсорбируются на поверхности частиц и посредством межчастичных мостиков сливаются с другими частицами, образуя хлопья. PolyDADMAC — популярный катионный (положительно заряженный) органический полимер, используемый на водоочистных станциях. [5] : 667–8
Воды, выходящие из бассейна флокуляции, могут попасть в отстойник , также называемый отстойником или отстойником. Это большой резервуар с низкой скоростью воды, позволяющей флоку оседать на дно. Бассейн отстойника лучше всего располагать рядом с бассейном флокуляции, чтобы переход между двумя процессами не приводил к осаждению или разрушению хлопьев. Отстойники могут быть прямоугольными, когда вода течет из конца в конец, или круглыми, когда поток течет от центра наружу. Слив из отстойника обычно осуществляется через плотину, поэтому выходит только тонкий верхний слой воды, наиболее удаленный от ила.
В 1904 году Аллен Хейзен показал, что эффективность процесса седиментации зависит от 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 зависит от времени задержания или глубины бассейна. Однако глубина бассейна должна быть достаточной, чтобы потоки воды не нарушали ил и не способствовали взаимодействию осевших частиц. Поскольку концентрация частиц в отстоявшейся воде увеличивается вблизи поверхности осадка на дне резервуара, скорость осаждения может увеличиваться из-за столкновений и агломерации частиц. Типичное время задержки осадка варьируется от 1,5 до 4 часов, а глубина бассейна варьируется от 10 до 15 футов (от 3 до 4,5 метров). [4] : 9,39–9,40 [5] : 790–1 [6] : 140–2, 171
Пластинчатые отстойники , наклонные плоские пластины или трубки могут быть добавлены к традиционным отстойникам для улучшения эффективности удаления частиц. Наклонные пластины и трубки резко увеличивают площадь поверхности, доступную для удаления частиц, в соответствии с оригинальной теорией Хейзена. Площадь поверхности земли, занимаемая отстойником с наклонными пластинами или трубками, может быть намного меньше, чем у обычного отстойника.
Когда частицы оседают на дно отстойника, на дне резервуара образуется слой ила , который необходимо удалить и обработать. Количество образующегося осадка является значительным, часто от 3 до 5 процентов от общего объема воды, подлежащей очистке. Стоимость обработки и утилизации осадка может повлиять на эксплуатационные расходы водоочистной станции. Отстойник может быть оборудован устройствами механической очистки, постоянно очищающими его дно, либо периодически выводиться из эксплуатации и очищаться вручную.
Подкатегория седиментации — это удаление частиц путем захвата слоем взвешенных хлопьев, когда вода поднимается вверх. Основным преимуществом хлопьевых осветлителей является то, что они занимают меньшую площадь, чем традиционные седиментационные осветлители. Недостатком является то, что эффективность удаления частиц может сильно варьироваться в зависимости от изменений качества поступающей воды и скорости потока поступающей воды. [5] : 835–6
Когда удаляемые частицы не могут легко оседать из раствора, 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, образуя плавающую массу концентрированных хлопьев. Плавающее хлопьевидное покрытие удаляется с поверхности, а осветленная вода забирается со дна резервуара DAF. В источниках воды, которые особенно уязвимы к цветению одноклеточных водорослей, а также в источниках воды с низкой мутностью и яркой окраской, часто используется DAF. [4] : 9,46
После отделения большей части хлопьев вода фильтруется на последнем этапе для удаления оставшихся взвешенных частиц и неоседевшихся хлопьев.
Самый распространенный тип фильтра — быстрый песочный фильтр . Вода движется вертикально через песок, над которым часто имеется слой активированного угля или антрацита . Верхний слой удаляет органические соединения, которые влияют на вкус и запах. Пространство между частицами песка больше, чем у мельчайших взвешенных частиц, 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 в его работе: если бы верхний слой песка заблокировал все частицы, фильтр быстро засорился бы. [7]
Для очистки фильтра вода быстро пропускается вверх через фильтр, в противоположном нормальному направлению (так называемая обратная промывка или обратная промывка ), чтобы удалить застрявшие или нежелательные частицы. Перед этим этапом через нижнюю часть фильтра можно продуть сжатый воздух, чтобы разрушить уплотненный фильтрующий материал и облегчить процесс обратной промывки; это известно как очистка воздуха . Эту загрязненную воду можно утилизировать вместе с осадком из отстойника или переработать путем смешивания с сырой водой, поступающей на установку, хотя это часто считается плохой практикой, поскольку повторно вводит повышенную концентрацию бактерий в воду. сырая вода.
На некоторых водоочистных станциях используются напорные фильтры. Они работают по тому же принципу, что и быстрые гравитационные фильтры, отличаясь тем, что фильтрующий материал заключен в стальной резервуар, а вода прогоняется через него под давлением.
Преимущества:
Медленные песочные фильтры можно использовать там, где достаточно земли и места, поскольку вода проходит через фильтры очень медленно. Действие этих фильтров основано на процессах биологической очистки, а не на физической фильтрации. Они тщательно построены с использованием ступенчатых слоев песка: самый крупный песок и немного гравия внизу и самый мелкий песок вверху. Дренажи в основании отводят очищенную воду для дезинфекции. Фильтрация зависит от развития тонкого биологического слоя, называемого зооглеальным слоем или Шмуцдеке , на поверхности фильтра. Эффективный медленный песочный фильтр может оставаться в эксплуатации в течение многих недель или даже месяцев, если предварительная очистка хорошо спроектирована и производит воду с очень низким уровнем доступных питательных веществ, которого редко достигают физические методы очистки. Очень низкий уровень питательных веществ позволяет безопасно направлять воду через распределительные системы с очень низким уровнем дезинфицирующих средств, тем самым уменьшая раздражение потребителей по поводу агрессивных уровней хлора и побочных продуктов хлора. Песчаные фильтры медленного действия не подвергаются обратной промывке; они поддерживаются за счет соскабливания верхнего слоя песка, когда поток в конечном итоге блокируется биологическим ростом. [8]
При береговой фильтрации естественные отложения на берегу реки используются для обеспечения первой стадии фильтрации загрязнений. Хотя вода, полученная из соответствующих добывающих скважин, обычно недостаточно чистая, чтобы ее можно было использовать непосредственно для питья, она гораздо менее проблематична, чем речная вода, взятая непосредственно из реки.
Мембранные фильтры широко используются для фильтрации как питьевой воды, так и сточных вод . Мембранные фильтры питьевой воды способны удалять практически все частицы размером более 0,2 мкм, включая лямблии и криптоспоридии . Мембранные фильтры являются эффективной формой третичной очистки, когда желательно повторно использовать воду для промышленных целей, для ограниченных бытовых целей или перед сбросом воды в реку, которая используется городами, расположенными ниже по течению. Они широко используются в промышленности, особенно для приготовления напитков (в том числе бутилированной воды ). Однако никакая фильтрация не может удалить вещества, которые фактически растворены в воде, такие как фосфаты , нитраты и ионы тяжелых металлов .
В ультрафильтрационных мембранах используются полимерные мембраны с химически образованными микроскопическими порами, которые можно использовать для фильтрации растворенных веществ без использования коагулянтов. Тип мембранной среды определяет, какое давление необходимо для прохождения воды и какие размеры микроорганизмов можно отфильтровать. [ нужна цитата ]
Ионный обмен : [9] В ионообменных системах используются колонки, наполненные ионообменной смолой или цеолитом , для замены нежелательных ионов. Наиболее распространенным случаем является умягчение воды , заключающееся в удалении ионов Ca 2+ и Mg 2+ с заменой их доброкачественными (мыльными) ионами Na + или K + . Ионообменные смолы также используются для удаления токсичных ионов, таких как нитрит , свинец, ртуть , мышьяк и многих других.
Преципитативное умягчение : [4] : 13,12–13,58 Воду с высокой жесткостью ( ионы кальция и магния ) обрабатывают известью ( оксид кальция ) и/или кальцинированной содой ( карбонат натрия ) для осаждения карбоната кальция из раствора с использованием обычного иона. эффект .
Электродеионизация : [9] Вода пропускается между положительным и отрицательным электродами . Ионообменные мембраны позволяют только положительным ионам мигрировать из очищенной воды к отрицательному электроду и только отрицательным ионам к положительному электроду. Деионизированная вода высокой чистоты производится непрерывно, аналогично ионообменной обработке. Полное удаление ионов из воды возможно при соблюдении правильных условий. Вода обычно предварительно очищается с помощью установки обратного осмоса для удаления неионогенных органических загрязнений и с помощью газопереносных мембран для удаления углекислого газа . Возврат воды на уровне 99% возможен, если поток концентрата подается на вход обратного осмоса.
Дезинфекция осуществляется как путем фильтрации вредных микроорганизмов, так и путем добавления дезинфицирующих химикатов. Вода дезинфицируется для уничтожения любых болезнетворных микроорганизмов , проходящих через фильтры, а также для обеспечения остаточной дозы дезинфицирующего средства для уничтожения или инактивации потенциально вредных микроорганизмов в системах хранения и распределения. Возможные возбудители включают вирусы , бактерии, включая сальмонеллу , холеру , кампилобактерии и шигеллы , а также простейшие , включая лямблии и другие криптоспоридии . После добавления любого химического дезинфицирующего средства вода обычно хранится во временном хранилище – часто называемом контактным резервуаром или чистым колодцем – для завершения дезинфекционного действия.
Наиболее распространенный метод дезинфекции включает использование той или иной формы 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, при его использовании существует опасность выбросов. Этой проблемы можно избежать, используя гипохлорит натрия — относительно недорогой раствор, используемый в бытовых отбеливателях, который при растворении в воде выделяет свободный хлор. Растворы хлора можно получить на месте путем электролиза растворов поваренной соли. Твердая форма, гипохлорит кальция , выделяет хлор при контакте с водой. Однако обращение с твердыми веществами требует более обычного контакта с человеком посредством открытия мешков и разлива, чем использование газовых баллонов или отбеливателя, которые легче автоматизировать. Производство жидкого гипохлорита натрия обходится дешевле, а также безопаснее, чем использование газа или твердого хлора. Уровень хлора в питьевой воде до 4 миллиграммов на литр (4 части на миллион) считается безопасным. [10]
Все формы хлора широко используются, несмотря на их соответствующие недостатки. Одним из недостатков является то, что хлор из любого источника вступает в реакцию с природными органическими соединениями в воде, образуя потенциально вредные химические побочные продукты. Эти побочные продукты, тригалометаны (ТГМ) и галогенуксусные кислоты (ГАА), в больших количествах являются канцерогенными и регулируются Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и Инспекцией питьевой воды в Великобритании. Образование ТГМ и галогенуксусных кислот можно свести к минимуму за счет эффективного удаления из воды как можно большего количества органических веществ перед добавлением хлора. Хотя хлор эффективен в уничтожении бактерий, он имеет ограниченную эффективность против патогенных простейших, образующих цисты в воде, таких как Giardia Lamblia и Cryptosporidium .
Диоксид хлора является более быстрым дезинфицирующим средством, чем элементарный хлор. Он используется относительно редко, поскольку в некоторых случаях он может создавать чрезмерное количество хлорита , который является побочным продуктом, уровень которого в Соединенных Штатах регулируется до низких допустимых уровней. Диоксид хлора можно поставлять в виде водного раствора и добавлять в воду, чтобы избежать проблем с обращением с газом; Скопления газообразного диоксида хлора могут самопроизвольно взорваться.
Использование хлорамина становится все более распространенным в качестве дезинфицирующего средства. Хотя хлорамин не является таким сильным окислителем, он обеспечивает более продолжительное остаточное действие, чем свободный хлор, из-за его более низкого окислительно-восстановительного потенциала по сравнению со свободным хлором. Он также с трудом образует ТГМ или галогенуксусные кислоты ( побочные продукты дезинфекции ).
Хлор можно превратить в хлорамин, добавив в воду аммиак после добавления хлора. Хлор и аммиак реагируют с образованием хлорамина. В системах водоснабжения, продезинфицированных хлорамином, может возникнуть нитрификация , поскольку аммиак является питательным веществом для роста бактерий, а нитраты образуются в качестве побочного продукта.
Озон — нестабильная молекула, которая легко отдает один атом кислорода, образуя мощный окислитель, токсичный для большинства переносимых водой организмов. Это очень сильное дезинфицирующее средство широкого спектра действия, которое широко используется в Европе и в некоторых муниципалитетах США и Канады. Озоновая дезинфекция, или озонирование, — эффективный метод инактивации вредных простейших, образующих цисты. Он также хорошо действует против почти всех других патогенов. Озон получается 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 контакта с пузырьками. 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 в распределительную систему можно добавлять хлор или хлорамин для удаления любых потенциальных болезнетворных микроорганизмов в распределительных трубопроводах.
Озон используется на предприятиях по производству питьевой воды с 1906 года, когда в Ницце , Франция, была построена первая промышленная установка по озонированию. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США признало озон безопасным; и он применяется в качестве антимикробного средства для обработки, хранения и обработки пищевых продуктов. Однако, хотя при озонировании образуется меньше побочных продуктов, было обнаружено, что озон реагирует с ионами бромида в воде, образуя концентрации предполагаемого канцерогенного бромата . Бромид можно обнаружить в источниках пресной воды в концентрациях, достаточных для образования (после озонирования) более 10 частей на миллиард (частей на миллиард) бромата — максимального уровня загрязнения, установленного USEPA. [12] Озоновая дезинфекция также является энергоемкой.
Ультрафиолетовый свет (УФ) очень эффективен для инактивации цист в воде с низкой мутностью. Эффективность дезинфекции ультрафиолетовым светом снижается по мере увеличения мутности в результате поглощения , рассеяния и затенения, вызванных взвешенными твердыми веществами. Основным недостатком использования УФ-излучения является то, что, как и обработка озоном, оно не оставляет в воде остаточных дезинфицирующих средств; поэтому иногда необходимо добавить остаточное дезинфицирующее средство после процесса первичной дезинфекции. Это часто делается путем добавления хлораминов, обсуждавшихся выше в качестве основного дезинфицирующего средства. При таком использовании хлорамины обеспечивают эффективное остаточное дезинфицирующее средство с очень небольшим количеством негативных эффектов хлорирования.
Более 2 миллионов человек в 28 развивающихся странах используют солнечную дезинфекцию для ежедневной очистки питьевой воды. [13]
Как и УФ, ионизирующее излучение (рентгеновские лучи, гамма-лучи и электронные лучи) используется для стерилизации воды. [ нужна цитата ]
Бром и йод также можно использовать в качестве дезинфицирующих средств. Однако хлор в воде более чем в три раза более эффективен в качестве дезинфицирующего средства против Escherichia coli , чем эквивалентная концентрация брома , и более чем в шесть раз более эффективен, чем эквивалентная концентрация йода . [14] Йод обычно используется для очистки питьевой воды , а бром широко используется в качестве дезинфицирующего средства для бассейнов .
Портативные устройства и методы очистки воды доступны для дезинфекции и очистки в чрезвычайных ситуациях или в отдаленных местах. 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 источников, перечислены ниже. В некоторых странах некоторые из этих методов используются для крупномасштабных муниципальных поставок. Особое значение имеют дистилляция ( опреснение морской воды ) и обратный осмос.
Доведение воды до точки кипения (около 100 °C или 212 F на уровне моря) — самый старый и наиболее эффективный способ, поскольку он уничтожает 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] Традиционно советуют кипятить воду в течение десяти минут главным образом в целях дополнительной безопасности, поскольку микробы начинают умирать при температуре выше 60 °C (140 °F). Хотя температура кипения снижается с увеличением высоты, этого недостаточно для дезинфекции. [19] [21] В районах, где вода «жесткая» (то есть содержит значительное количество растворенных солей кальция), кипячение разлагает ионы бикарбоната , что приводит к частичному осаждению в виде карбоната кальция . Это «мех», который накапливается 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). При кипячении в воде не остается остатков дезинфицирующего средства. Следовательно, вода, которую кипятят, а затем хранят в течение длительного времени, может обзавестись новыми болезнетворными микроорганизмами.
Гранулированный активированный уголь — это форма активированного угля с большой площадью поверхности. Он адсорбирует многие соединения, в том числе 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 углеродном блоке в течение длительного времени, внутри него могут расти микроорганизмы, что приводит к засорению и загрязнению. Наночастицы серебра являются отличным антибактериальным материалом и могут разлагать токсичные галогенорганические соединения, такие как пестициды, на нетоксичные органические продукты. [22] Фильтрованную воду необходимо использовать вскоре после ее фильтрации, так как небольшое количество оставшихся микробов может со временем размножаться. В целом эти домашние фильтры удаляют более 90% хлора в стакане очищенной воды. Эти фильтры необходимо периодически заменять, в противном случае содержание бактерий в воде может увеличиться из-за роста бактерий внутри фильтрующего блока. [11]
Дистилляция включает кипячение воды для получения водяного пара . Пар контактирует с прохладной поверхностью, где конденсируется в виде жидкости. Поскольку растворенные вещества обычно не испаряются, они остаются в кипящем растворе. Даже дистилляция не позволяет полностью очистить воду из-за примесей с одинаковой температурой кипения и капель неиспарившейся жидкости, переносимых с паром. Однако путем дистилляции можно получить чистую воду на 99,9%.
Мембранная дистилляция с прямым контактом (DCMD) пропускает нагретую морскую воду вдоль поверхности гидрофобной полимерной мембраны . Испаренная вода проходит с горячей стороны через поры мембраны, образуя поток холодной чистой воды с другой стороны. Разница в давлении пара между горячей и холодной стороной помогает проталкивать молекулы воды.
Обратный осмос предполагает механическое давление, которое пропускает воду через полупроницаемую мембрану . Загрязнения остаются на другой стороне мембраны. Обратный осмос теоретически является наиболее тщательным доступным методом крупномасштабной очистки воды, хотя идеальные полупроницаемые мембраны создать сложно. Если мембраны не обслуживаются должным образом, водоросли и другие формы жизни могут колонизировать мембраны. [23]
Углекислый газ или другой низкомолекулярный газ можно смешать с загрязненной водой при высоком давлении и низкой температуре с экзотермическим образованием кристаллов гидрата газа. Гидрат можно отделить центрифугой или седиментацией. Воду можно высвободить из кристаллов гидрата путем нагревания. [24]
Химическое окисление in situ (ISCO) представляет собой усовершенствованный процесс окисления. Он используется для восстановления почвы и/или грунтовых вод с целью снижения концентрации целевых загрязнителей. ISCO достигается путем закачивания или иного введения окислителей в загрязненную среду (почву или грунтовые воды) для уничтожения загрязняющих веществ. Его можно использовать для восстановления различных органических соединений, в том числе тех, которые устойчивы к естественному разложению.
Биоремедиация использует микроорганизмы для удаления отходов из загрязненной территории. С 1991 года биоремедиация была предложенной тактикой удаления примесей, таких как алканы, перхлораты и металлы. [25] Биоремедиация добилась успеха, поскольку перхлораты хорошо растворимы, что затрудняет их удаление. [26] Примеры применения штамма CKB Dechromonas agitata включают полевые исследования, проведенные в Мэриленде и на юго-западе США. [26] [27] [28]
Перекись водорода ( H
2О
2) — обычное дезинфицирующее средство, способное очищать воду. Обычно его производят на химических заводах и транспортируют в загрязненную воду. Альтернативный подход использует золото-палладиевый катализатор для синтеза H.
2О
2от атомов водорода и кислорода окружающей среды в месте использования. Сообщалось, что последний действует быстрее и в 10,7 раз более эффективно убивает Escherichia coli , чем коммерческий H.
2О
2, и более чем в 10 8 раз более эффективен, чем хлор. Каталитическая реакция также приводит к образованию активных форм кислорода (АФК), которые связывают и разлагают другие соединения. [29]
В апреле 2007 года система водоснабжения в Спенсере, штат Массачусетс в Соединенных Штатах Америки, была загрязнена избытком гидроксида натрия (щелочи) из-за неисправности очистного оборудования. [30]
Многие муниципалитеты перешли от свободного хлора к хлорамину в качестве дезинфицирующего средства. Однако хлорамин оказывается коррозионным агентом в некоторых водных системах. Хлорамин может растворить «защитную» пленку внутри старых водопроводов, что приведет к вымыванию свинца в водопроводные краны жилых домов. Это может привести к вредному воздействию, включая повышение уровня свинца в крови . Свинец является известным нейротоксином . [31]
Дистилляция удаляет из воды все минералы, а мембранные методы обратного осмоса и нанофильтрации удаляют большую часть всех минералов. В результате получается деминерализованная вода, которая не считается идеальной питьевой водой . Всемирная организация здравоохранения исследует 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 содержания токсичных металлов, поскольку она легче выщелачивает из трубопроводов такие материалы, как свинец и кадмий, чему препятствуют растворенные минералы, такие как кальций и магний. Вода с низким содержанием минералов была вовлечена в конкретные случаи отравления свинцом у детей грудного возраста, когда свинец из труб особенно быстро выщелачивался в воду. Рекомендации по магнию составляют минимум 10 мг/л и оптимальный уровень 20–30 мг/л; для кальция минимум 20 мг/л и оптимум 40–80 мг/л, общая жесткость воды (с добавлением магния и кальция) от 2 до 4 ммоль /л. При жесткости воды выше 5 ммоль/л наблюдается более высокая заболеваемость камнями в желчном пузыре, почках, мочевых путях, артрозах и артропатиях. [33] Кроме того, процессы опреснения могут увеличить риск бактериального загрязнения. [33]
Производители домашних дистилляторов утверждают обратное: 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 опреснять морскую воду, пропуская ее через песчаный фильтр . Хотя его эксперимент не увенчался успехом, он положил начало новому интересу в этой области. Отцы микроскопии Антони ван Левенгук и Роберт Гук впервые использовали недавно изобретенный микроскоп для наблюдения за мелкими частицами материала, которые находились во взвешенном состоянии в воде, заложив основу для будущего понимания болезнетворных микроорганизмов, передающихся через воду . [36]
Первое задокументированное использование песчаных фильтров для очистки водопроводной воды датируется 1804 годом, когда владелец отбеливателя в Пейсли, Шотландия , Джон Гибб установил экспериментальный фильтр, продавая населению ненужные излишки воды. [37] В последующие два десятилетия этот метод был усовершенствован инженерами, работавшими в частных компаниях водоснабжения, и его кульминацией стал первый в мире очищенный общественный водопровод, установленный инженером Джеймсом Симпсоном для компании Chelsea Waterworks в Лондоне в 1829 году . [ 37] 38] Эта установка обеспечивала фильтрованной водой каждого жителя этого района, и в последующие десятилетия конструкция сети широко копировалась по всему Соединенному Королевству.
Практика очистки воды вскоре стала основной и распространенной, а достоинства системы стали совершенно очевидными после исследований врача Джона Сноу во время вспышки холеры на Брод-стрит в 1854 году . Сноу скептически относился к господствовавшей в то время теории миазмов , утверждавшей, что болезни вызываются вредным «плохим воздухом». Хотя микробная теория болезней еще не была разработана, наблюдения Сноу заставили его отказаться от преобладающей теории. Его эссе 1855 года «О способе распространения холеры» убедительно продемонстрировало роль водоснабжения в распространении эпидемии холеры в Сохо , [39] [40] с использованием точечной карты распределения и статистических доказательств, чтобы проиллюстрировать связь между качеством воды и качеством воды. источника воды и случаев холеры. Его данные убедили местный совет отключить водяной насос, что быстро положило конец вспышке.
Закон о воде мегаполиса впервые ввел регулирование деятельности компаний водоснабжения в Лондоне, включая минимальные стандарты качества воды. Закон «предусматривал обеспечение снабжения Метрополиса чистой и полезной водой» и требовал, чтобы вся вода была «эффективно фильтрована» с 31 декабря 1855 года. За этим последовал закон об обязательной проверке качества воды. , включая комплексные химические анализы, в 1858 году. Этот закон создал мировой прецедент для аналогичных государственных мер общественного здравоохранения по всей Европе. Тогда же была сформирована Столичная комиссия по канализации, по всей стране была введена фильтрация воды, а над шлюзом Теддингтон были установлены новые водозаборы на Темзе . Автоматические напорные фильтры, в которых вода пропускается под давлением через систему фильтрации, были изобретены в 1899 году в Англии. [37]
Джон Сноу был первым, кто успешно применил хлор для дезинфекции водопровода в Сохо , что способствовало распространению вспышки холеры. Уильям Сопер также использовал хлорированную известь для очистки сточных вод, образующихся у больных тифом в 1879 году.
В статье, опубликованной в 1894 году, Мориц Траубе официально предложил добавлять в воду хлорид извести ( гипохлорит кальция ), чтобы сделать ее «свободной от микробов». Два других исследователя подтвердили выводы Траубе и опубликовали свои работы в 1895 году . весь водопровод обработан хлором. [43]
Постоянное хлорирование воды началось в 1905 году, когда неисправный медленный песочный фильтр и загрязненная система водоснабжения привели к серьезной эпидемии брюшного тифа в Линкольне, Англия . [44] Александр Круикшанк Хьюстон использовал хлорирование воды, чтобы остановить эпидемию. Его установка подавала в очищаемую воду концентрированный раствор хлорной извести. Хлорирование водопровода помогло остановить эпидемию, и в качестве меры предосторожности хлорирование продолжалось до 1911 года, когда был открыт новый водопровод. [45]
Первое непрерывное использование хлора в США для дезинфекции имело место в 1908 году в водохранилище Бунтон (на реке Рокуэй ), которое служило снабжением Джерси-Сити, штат Нью-Джерси . [46] Хлорирование достигалось путем контролируемого добавления разбавленных растворов хлорида извести ( гипохлорита кальция ) в дозах от 0,2 до 0,35 частей на миллион. Процесс очистки был разработан Джоном Л. Лилом, а установка хлорирования спроектирована Джорджем Уорреном Фуллером. [47] В течение следующих нескольких лет хлорная дезинфекция с использованием хлорида извести была быстро внедрена в системах питьевой воды по всему миру. [48]
Методика очистки питьевой воды с использованием сжатого сжиженного газообразного хлора была разработана британским офицером Индийской медицинской службы Винсентом Б. Несфилдом в 1903 году. По его собственным словам:
Мне пришло в голову, что газообразный хлор может быть признан удовлетворительным... если будут найдены подходящие средства для его использования... Следующий важный вопрос заключался в том, как сделать этот газ портативным. Этого можно достичь двумя способами: сжижать его и хранить в железных сосудах со свинцовым покрытием, имеющих сопло с очень тонким капиллярным каналом и снабженных краном или завинчивающейся крышкой. Кран открывают, и в цилиндр помещают необходимое количество воды. Хлор вылетает наружу, 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 Армейской медицинской школе , впервые на практике продемонстрировал это в 1910 году. Вскоре после этого майор Уильям Дж. Л. Листер из армейского медицинского департамента применил для лечения раствор гипохлорита кальция в льняном мешке. вода. На протяжении многих десятилетий метод Листера оставался стандартом для сухопутных войск США в полевых условиях и в лагерях, реализованный в виде знакомой нам сумки «Листер» (также называемой «Мешок Листера»). Мешок был сделан из холста и вмещал 36 галлонов воды. Он был пористым и держался на веревках, очищая воду с помощью раствора гипохлорита кальция. К каждому пакету был прикреплен кран, который использовался для смыва воды для тестирования, а также для раздачи воды для использования. Это стало основой современных систем очистки городской воды . [50]
Согласно отчету Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) за 2007 год, 1,1 миллиарда человек не имеют доступа к улучшенному снабжению питьевой водой ; 88% из 4 миллиардов ежегодных случаев диарейных заболеваний объясняются небезопасной водой и неадекватными санитарными условиями и гигиеной, а 1,8 миллиона человек ежегодно умирают от диарейных заболеваний. По оценкам ВОЗ, 94% случаев диарейных заболеваний можно предотвратить путем внесения изменений в окружающую среду, включая доступ к безопасной воде. [51] Простые методы очистки воды в домашних условиях, такие как хлорирование, фильтры и солнечная дезинфекция, а также хранение ее в безопасных контейнерах могут ежегодно спасать огромное количество жизней. [52] Сокращение смертности от болезней, передающихся через воду , является основной целью общественного здравоохранения в развивающихся странах.
Мировой рынок очистки воды оценивается в 22 миллиарда долларов. [53] Домашние фильтры и очистители воды в Индии широко распространены. [54]
