Пречистване на питейна вода

В България за задоволяване нуждите от вода за населението масово се използват изградените в страната язовири. Осигуряването на безвредна и качествена питейна вода е най-важното условие за запазване живота на хората. Изборът на технология за пречистване и получаване на качествена питейна вода зависи от физикохимичния и микрибиологичния състав на природната вода, определен от климатичните и хидродинамичните условия, характера на водната растителност. Замърсяването на водните екосистеми е огромна опасност за всички живи организми и по-специално за хората.
В статията ще разкажем за нормативните изисквания, за основните методи и съоръжения за пречистване, за технологията на пречистване в пречиствателните станции, за съвременните методи и нанотехнология за пречистване в бита.

Съществуването на биосферата и човека винаги се основавало на използването на вода. Човечеството винаги се e стремяло да увеличи потреблението на вода, оказвайки многократно влияние върху хидросферата. Замърсяването на водата се проявява в изменението във физическите и органолептичните показатели - нарушаване на прозрачността, цвета, мириса, вкуса. При превишаване на допустимата норма най-малко на един от трите показателя за вредност - санитарно-токсикологичен, общосанитарен или органолептичен, водата се счита за замърсена. Замърсяването на водните екосистеми е огромна опасност за всички живи организми и по-специално за хората. Неблагоприятните ефекти за човешкото здраве при използване на замърсена вода се проявяват или директно чрез пиене, или в резултат на биологично натрупване. Чрез директен контакт на човек с бактериално замърсена вода, различни паразити могат да проникнат в кожата и да причинят сериозни заболявания. В съвременните условия се увеличава и опасността от такива епидемични заболявания като холера, тиф, дизентерия и др.

Най-често срещаните примеси, които влошават качеството на питейната вода, са следните видове. Суспендирани вещества - водонеразтворими суспензии, емулсии. Присъствието на суспендирани твърди вещества във водата води до замърсяване с частици от глина, пясък, утайки, водорасли и др. Органични вещества от естествен произход - частици от почвен хумус, продукти от жизнената дейност и разграждане на растителни и животински организми. Органични вещества от техногенен произход - органични киселини, протеини, мазнини, въглехидрати, феноли, нефтени продукти. Микроорганизми-планктон, бактерии, вируси. Соли определящи твърдостта-калциеви и магнезиеви соли на въглеродната, сярната, солната и азотната киселини. Съединенията на желязото и мангана - органични комплексни съединения, сулфати, хлориди и хидрогенкарбонати. Азотни съединения - нитрати, нитрити, амоняк. Водоразтворими газове - сероводород, метан.

Сред водоопазващите проблеми, един от най-важните е разработването и прилагането на ефективни методи за пречистване и обеззаразяване на повърхностните води, които се използват за питейно-битови нужди. Ето защо водата, която идва от сондажните кладенци или водопроводите, се нуждае от специална подготовка, която е комплекс от физични, химични и биологични методи.

Нормативни изисквания
Основните нормативни изисквания към питейните води са регламентирани в Закона за водите, Закона за здравето и Нредба № 9 за качеството на водата за питейно-битови цели-ДВ, бр.30/2001г. Наредба № 9 е изцяло хармонизирана с европейската Директива 98/83/ЕС за качеството на питейната водата за населението.

Министерство на здравеопазването, чрез регионалните инспекции за опазване и контрол на общественото здраве - РИОКОЗ, провежда държавен здравен контрол на водите за питейно-битовото водоснабдяване. Водата, която не уврежда човешкото здраве и отговаря на изискванията на Наредбата, е питейна вода. Тя е предназначена за ежедневна и безопасна консумация от хора и други живи същества.

Основни методи и съоръжения за пречистване
Основните методи за пречистване на повърхностните води от язовирите, реките и езерата са избистряне, обезцветяване и обеззаразяване. Избистрянето на природната вода се извършва чрез утаяване на неразтворените в нея вещества. Тази функция се изпълнява в пречиствателните съоръжения - избистрители, утаители и филтри. В избистрителите и утаителите водата се движи по-бавно, така че да се получи утаяване на суспендираните частици. За утаяването на колоидните частици към водата се добавя разтвор на коагулант-обикновено алуминиев сулфат, железен сулфат или железен хлорид. Реакцията на коагуланта със солите на многовалентните метали води до образуването на утайка от пухкави късчета. Те при утаяването си увличат и колоидните частици. Следователно извършва се коагулация. Филтруването е най-общият метод за разделяне на твърди вещества от течности. Така от разтвор могат да се отделят не само диспергираните частици, но и колоидите. По време на филтруването твърдите вещества се задържат в порите на филтърната среда и в биологичния филм около частиците на филтриращия материал. Така водата се освобождава, от суспендираните частици, пухкавите късчета на коагуланта и голямата част от бактериите.

Обезцветяването на водата е отстраняване или обезцветяване на различните цветни колоиди или напълно разтворените вещества. Постига се с коагулация и използването на различни окислители, като хлор и неговите производни, озон, калиев перманганат и сорбенти - активен въглен, синтетични смоли.

Обеззаразяването на водата е пълното й освобождаване от вредните болестотворни бактерии. Постига се с хлориране. Във всички случаи методът за пречистване трябва да осигурява необходимата степен на пречистване и качества на водата.

Технология на пречистване в пречиствателните станции
Принципната технологична схема за пречистване на повърхностни води има следния състав на основните съоръжения. Смесител - смесване на разтвора на коагуланта от реагентното стопанство с обработваната сурова вода. Реакционна камера - завършване на химическата реакция и образуване на пухкави късчета на коагуланта. Утаители - отделяне на пухкавите късчета на коагуланта от водата и образуване на утайка. Филтри - дълбоко избистряне с преминаване на водата през слой от кварцов пясък. Резервоари за чиста вода - химическо обеззаразяване на водата с хлор или озон.

В етапа на предварителната обработка на водата са включени процеси като прецеждане и предварително окисление. С прецеждането се отстраняват едрите и плуващи примеси в суровата вода с решетки. Предварителното окисление може да се извърши с аерация или с прибавяне на химични реагенти. С аерацията водата се обогатява с кислород. Чрез нея могат да се отстраняват и газове - сероводород, въглероден диоксид и др. Химичните реагенти, които се използват като предокислители, са хлорът, хлорният диоксид, калиевият перманганат и озонът. Озонът е широко използван предокислител на суровата вода.

В етапа на избистряне на водата от нея се отстраняват неорганичните и органичните вещества. Част от разтворените органични вещества се отстраняват с процесите на коагулация и флокулация. В зависимост от концентрацията на веществата в суровата вода, в пречиствателните станции се прилагат едностъпални и двустъпални технологични схеми за пречистване.

Едностъпалните технологични схеми за пречистване включват процеси, като предварително окисление на водата с озон, контактна коагулация и филтрация. Например едностъпална технологична схема се използва за пречистване на водите от язовир Искър. Те се характеризират с показатели на суровата вода, като мътност по-малка от15FNU, цвят до 25°PtCo, суспендирани частици 10mg/l, планктон-до 1000микроалгии/l.

Двустъпалните технологични схеми на пречистване включват процеси като предварително окисление на водата, коагулация, флокулация, утаяване, филтрация. Тези схеми намират широко практическо приложение поради високата мътност на повърхностните води. Първото стъпало на пречистване в технологичната схема е утаяването. То може да се осъществи чрез избистрители със суспендиран слой, чрез камери за флокулация и утаители. В зависимост от качествата на суровата вода съставът на съоръженията от първото стъпало може да бъде различен. Второто стъпало на пречистване в технологичната схема са безнапорните или напорните бързи филтри. Безнапорните бързи филтри с еднопосочно движение на водата са открити стоманобетонни резервоари с правоъгълно или квадратно сечение. Запълнени са до определена височина с филтриращ материал. Напорните филтри са стоманени или пластмасови цилиндри с овално дъно, над което е монтирана дренажна система. Върху нея е положен филтриращ слой. Водата се подава под напор в горната част на филтъра. Двустъпалните технологични схеми се препоръчват при показатели суровата вода, като мътност-до 2000NTU, цвят до 120°PtCo, суспендирани частици- до и над 5000mg/l, планктон-без ограничения.

Съвременни методи за пречистване в бита
В днешно време стандартните методи за пречистване не са достатъчни за гарантиране качеството на питейната вода, съответстваща на най-високите световни стандарти. Също така трябва да се има предвид, че е възможно и вторично замърсяване на вече пречистената вода, докато тя се транспортира през тръбите на разпределителната мрежа. Необходими са по-модерни технологии за пречистване на питейната вода в бита. Напоследък се появиха нови методи за пречистване с йонообменни мембрани, мембрани за обратна осмоза, пречистване чрез електрохимични инсталации, а също и мембранни технологии.

С използване на йонообменни мембрани в процеса на преминаване на водата през слой от естествен материал - зеолити, или изкуствен - смоли, някои йони във водата се заменят с йони от мембраната - филтъра. Протича химична заместителна реакция. Тези процеси се използват широко в промишлеността при подготовката на вода за технологични нужди. В резултат на йонообмена, съставът на водата се променя, коригира. Нормализира се рН-водородният показател за киселинност. Водата се пречиства от някои видове йони - катиони или аниони. Този метод не може да бъде приет за универсален, тъй като пречистването, заместването с водородни катиони или хидроксилни аниони, не е предвидено за всички съставни компоненти на водата. Той се явява само като селективен, тъй като съставът на питейната вода в отделните райони на страната е много различен. Най-честият случай е процесът на омекотяване на питейната вода. Той се състои в отстраняване на калциевите и магнезиевите йони и заместването им с натриеви и калиеви йони. Последните добре взаимодействат с перилните препарати и сапуна, като се получава пяна.

Много често битовите инсталации за пречистване са снабдени с допълнителни функции, подобряващи качеството на водата. Например обогатяване с полезни микроелементи при контакт със специално подбран набор от смлени минерални камъни. Обработване в магнитно поле, чрез което се променя структурата на водата. По своите свойства тя става подобна на снежноразтопена вода. В някои конструкции на пречиствателите, част от смлените минерални камъни са обработени със сребро. В резултат на това отфилтруваната и пречистена вода се дезинфекцира със сребърни йони. Те защитават водата от размножаване в нея на бактерии предизвикващи чревни инфекции.

Сред системите за пречистване в специална група се обособяват електрохимичните инсталации. Основните отличителни предимства на тази инсталация е възможността за получаване на питейна вода с предварително определени физико-химични свойства. По-специално рН и зависищият от него окислително-редукционен потенциал. Същността на метода се състои в електрохимичната обработка на водата - електролиза в електролизьор разделен на анодно и катодно пространство с ултрафилтрационна металокерамична полупропусклива мембрана. При подаване на постоянен ток катодното пространство - католит, става алкално, т.е. рН се увеличава, водата се нарича „жива“, а анодното пространство - анолит, се подкислява, т.е рН намалява, водата се нарича „мъртва“. Електролитно се образува и активен хлор. В тези среди почти всички микроорганизми се унищожават и се получава частично разрушаване на органичните замърсители.

Мембранните технологии за пречистване намират все по-голямо практическо приложение. Мембранната филтрация е необходима за отстраняване на микробите от водата. Основава се на пропускането на водата под налягане през полупропусклива мембрана. Под действието на високо налягане, молекулите на водата и някои разтворени вещества, чийто размер е по-малък от диаметъра на порите на мембраната, проникват през нея, докато останалите примеси се задържат. В резултат на това захранващата вода се разделя на два потока. Филтрат-пречистена вода и концентрат-концентриран разтвор на примеси. Филтратът се подава на потребителя, а концентратът се оттича в дренажния отвор. Причината е, че молекулите на примесите са по-големи от размера на порите на мембраната и не могат да проникнат механично в нея.

Ако от различни страни на полупропусклива мембрана се намират солеви разтвори с различни концентрации, то водните молекули ще преминават през мембраната от по-малко концентрирания разтвор в по силно концентрирания. Така те увеличават течностното ниво на последния. Поради явлението осмоза процесът на проникване на водата през мембраната се наблюдава дори в случаите, когато и двата разтвора са под еднакво външно налягане. Установено е, че този процес продължава, докато не се постигне определена разлика в налягането между разтворите, т. нар. осмотично налягане - силата, с която водата преминава през мембраната. През 60-те години на 20 век е установено, че ако изкуствено се приложи налягане към концентриран разтвор, по-голямо от осмотично, то ще настъпи обратен процес. Водните молекули ще започнат да се движат от концентрирания разтвор към разредения. Този процес се нарича „обратна осмоза“. В процеса на обратна осмоза водата и разтворените вещества се разделят на молекулярно ниво. Така от едната страна на мембраната се натрупва почти напълно чиста вода, а всички замърсители остават отдругата й страна. Тогава учените правят заключението, че явлението на обратна осмоза може да се използва за пречистване на водата от различни примеси. То позволява много по-висока степен на пречистване от повечето традиционни методи за филтрация, като филтриране на механични частици и адсорбция на някои вещества с активен въглен. В допълнение методът на обратната осмоза е много по-опростен и по-евтин за експлоатация в сравнение с йонообменните системи.

Мембранните процеси могат да бъдат класифицирани според размера на задържаните частици на микрофилтрация, ултрафилтрация, нанофилтрация, обратна осмоза.

При прехода от микрофилтрация към обратна осмоза, размерът на порите на мембраната намалява. Следователно намалява и минималният размер на задържаните частици. В този случай колкото по-малък е размерът на порите на мембраната, толкова по-голямо е съпротивлението, което тя упражнява върху потока и толкова по-голямо е необходимото налягане за процеса на филтриране.

Микрофилтриращите мембрани с размер на порите 0,1-1,0 микрометъра задържат фини суспензии и колоидни частици, определени като мътност. Те се използват, когато има нужда от грубо пречистване на водата или от предварителна подготовка на вода преди по-дълбоко пречистване.

Ултрафилтрационните мембрани с размер на порите от 0,01 до 0,1 микрометъра отстраняват големи органични молекули - молекулно тегло по-голямо от 10 000, колоидни частици, бактерии и вируси, без да задържат разтворените соли. Такива мембрани се използват в бита, като осигуряват постоянно високо качество на пречистване от гореспоменатите примеси. Те не променят минералния състав на водата.

Нанофилтрационните мембрани се характеризират с размер на порите от 0,001 до 0,01 микрометъра. Те задържат органични съединения с молекулно тегло над 300 и пропускат 15-90% от солите в зависимост от структурата на мембраната.

От всички гореописани методи обратната осмоза има най-тесните пори и следователно най-селективните. През такива пори преминават първо молекулите на водата, кислорода, въглеродния диоксид и съизмеримите с тях макро-йони. Тези пори задържат всички бактерии и вируси, повечето разтворими соли, органичните и патогенни вещества, включително железни и хумусни съединения, придаващи цвета на водата. Средно мембраните за обратна осмоза задържат 97-99% от всички разтворени вещества. Използват се в много отрасли, където има нужда от висококачествена вода. Също така с появата на мембрани с ниско налягане стана възможно да се приложи този принцип на пречистване на водата за питейно-битови нужди. Получената по този начин питейна вода удовлетворява всички изисквания на европейските стандарти за качество.

Нанотехнология за пречистване
Нанотехнологиите все по-дълбоко проникват в живота ни. Създадени са битови филтри за пречистване на питейната вода с наносорбент - въглеродна смес с висока реактивност - ВСВР.

Методът за получаване на ВСВР от слоеве на въглеродни съединения е разработен от руския академик В. И. Петрик за пръв път в света. Уникалните сорбционни свойства на новия материал се дължат на огромната агрегатна повърхност на наноструктури графени. Така че 1g вещество има обща площ от 2000m2.

ВСВР е химически инертен, електрически проводящ, хидрофобен, устойчив на агресивна среда, екологично чист. Той има най-високите сорбционни показатели за редица компоненти и е уникален сорбент за комплексно пречистване на питейна вода. Ненаситените му междуатомни въглеродни връзки при контакт с всички неразтворими и някои водоразтворими примеси имат способността да ги задържат в масата на сорбента. Пропускат се само молекулите на водата. ВСВР не влиза в химически реакции с тези вещества, т.е. във филтрираната вода не може да има това, което го е нямало на входа на филтъра.

При намокряне ВСВР формира маса с огромно хидравлично съпротивление, което е много по-високо, отколкото в активния въглен. Това означава, че масата на ВСВР с дебелина няколко сантиметра работи не само като сорбент - задържащ примесите с ненаситените си междуатомни въглеродни връзки, но и като филтър - задържащ механично дори и най-малките примеси и суспензии.