Глава 3. Требования к качеству питьевой опресненной воды и методы ее приготовления

Основные санитарно-гигиенические требования к качеству питьевой воды в СССР определены ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая".

Все регламентированные показатели качества питьевой воды разделяются на несколько групп. К первой группе относятся физико-химические показатели (табл. 3.1).

Таблица 3.1

По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы допускается некоторое превышение нормативных показателей. Для действующих водопроводов, подающих воду без специальной обработки, содержание сухого остатка может составлять до 1500 ^мг/_л, железа - до 1 ^мг/_л и марганца до 0,5 ^мг/_л. Суммарное содержание хлоридов и сульфатов, выраженное в долях ПДК, не должно быть более единицы

(3.1)

Следовательно, если в воде одного компонента содержится меньше ПДК, то при соблюдении условия (3.1) можно допустить большее содержание другого компонента.

Таблица 3.2

Ко второй группе показателей качества питьевой воды относятся органолептические показатели (табл. 3. 2).

По согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы для отдельных объектов водопотребления допускают увеличение цветности до 35 град и мутности (в паводковый период) до 2 ^мг/_л.

Таблица 3.3

К третьей группе показателей качества питьевой воды относятся микробиологические показатели (табл. 3.3).

Наряду с показателем коли-индекс пользуются также показателем коли-титр, характеризующим количество воды, которое соответствует вероятному присутствию одной бактерии группы кишечных палочек. Значение показателя коли-титр равно 300 мл.

К четвертой группе показателей качества питьевой воды относятся токсикологические показатели, встречающиеся в природных водах или добавляемые к воде в процессе ее обработки, (табл. 3.4).

Таблица 3.4

В питьевой воде дополнительно лимитируются показатели, приведенные в табл. 3.5.

Таблица 3.5

Концентрации химических веществ, не указанных в первой и четвертом группах, но присутствующих в воде в результате промышленного, сельскохозяйственного и бытового загрязнений, не должны превышать ПДК, утвержденных Министерством здравоохранения СССР для воды водоемов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования по органолептическому и санитарно-токсикологическому признаку, а также норм радиационной безопасности НРБ-76. При обнаружении в воде таких химических веществ с одинаковым лимитирующим признаком вредности сумма отношений обнаруженных концентраций в воде и их ПДК не должна быть более единицы

(3.2)

где С₁, С₂, С_n - обнаруженные концентрации химических веществ, ^мг/_л; С_п1, С_п2, С_пn - предельно допустимые концентрации тех же химических веществ, ^мг/_л.

Перед подачей природной очищенной воды в водопроводную сеть производится обеззараживание ее хлором. Содержание остаточного хлора в воде после резервуаров чистой воды должно быть в пределах:

• свободного при τ = 30 мин С¹_сб = 0,3÷0,5 ^мг/_л;
• связанного при τ = 60 мин C¹_св = 0,8÷1,2 ^мг/_л.

При совместном присутствии свободного и связанного хлора контроль осуществляется при С¹_сб^->0,3 ^мг/_л по содержанию свободного хлора, при С¹_сб^-<0,3 ^мг/_л по содержанию связанного хлора (С¹_св^-).

В отдельных случаях по указанию органов санитарно-эпидемиологической службы допускается некоторое повышение концентрации остаточного хлора в питьевой воде.

При озонировании воды с целью обеззараживания концентрация остаточного озона после камеры смешения должна быть в пределах 0,1 - 0,3 ^мгO₃/_л при времени контакта не менее 12 мин.

Несмотря на то, что местные природные воды отличаются между собой по макро- и микрокомпонентному составу, человеческий организм в течение многих поколений адаптировался к употреблению природной воды определенного качества. Поэтому при переезде в другой район иное качество природной воды может оказывать неблагоприятное влияние, особенно в первый период употребления. Период адаптации у каждого человека может быть различным и довольно продолжительным. Регламентирование качества питьевой воды по всей стране по наиболее важным определяющим санитарно-гигиеническим показателям способствует ослаблению указанного выше влияния местных особенностей природных вод.

При термическом или мембранном опреснении морской воды ее физико-химическая система существенно деформируется как по макро-, так и по микрокомпонентному составу. В этом отношении опресненная вода может быть отнесена к разряду искусственно приготовленной, особенно после обогащения и кондиционирования. Это обстоятельство существенным образом осложнило решение задачи о возможности использования опресненной воды для питьевых целей. В связи с этим в нашей стране были проведены комплексные медико-физиологические и санитарно-гигиенические исследования. В результате этих исследований определены нижний предел солесодержания питьевой опресненной воды, равный 100 ^мг/_л, а также оптимальные значения солесодержания в пределах 200-400 ^мг/_л для воды хлоридно-сульфатного состава и 250-500 ^мг/_л гидрокарбонатного состава. Регламентировано также содержание некоторых компонентов в питьевой опресненной воде (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Содержание фтора и активного хлора после резервуаров чистой воды рекомендовано в соответствии с ГОСТ 2874-82.

В настоящее время исследования по регламентированию других показателей питьевой опресненной воды продолжаются. По мере получения новых данных исследований указанные рекомендации будут соответственно дополняться. Обоснованное нормирование качества искусственно приготовленной питьевой опресненной воды имеет важное медико-физиологическое и санитарно-гигиеническое значение в связи с более широким внедрением фильтрационной и комбинированной технологий водообработки на станциях и установках на объектах различного назначения, расположенных в аридных материковых зонах и в автономных условиях эксплуатации.

Одним из таких показателей является температура питьевой воды. При заборе воды из природных подземных и поверхностных источников водоснабжения обычно не регулируют естественную температуру среды. При использовании опресненной воды, особенно полученной методом дистилляции, возникла необходимость ввести более строгие ограничения, так как из ДОУ поступает дистиллят с температурой, которая изменяется в пределах 40-50°С. При использовании для питьевых целей такую опресненную воду необходимо охлаждать до 25°С. В санитарном отношении более надежным является охлаждение воды без разрыва струи и контакта ее с атмосферой, что обеспечивается в напорных трубчатых теплообменниках.

Международные нормы (ВОЗ, Женева, 1973) качества питьевой воды обоснованы по двум показателям: 1) наивысший рекомендуемый уровень (НРУ) и 2) максимально допустимый уровень (МДУ). В отношении токсичных веществ введено понятие верхний предел концентрации (ВПК), которое соответствует основному показателю - предельно допустимой концентрации (ПДК), принятому Министерством здравоохранения СССР. Значения указанных показателей приведены в табл. 3.7.

Таблица 3.7

При сопоставлении Международных норм качества питьевой воды с советским стандартом ГОСТ 2874-82 становится очевидным, что в нашей стране более строгие требования в отношении содержания хлоридов, железа, меди и других компонентов. Концентрация фтора в питьевой воде в СССР дифференцирована по климатическим районам, а в Международных нормах - в зависимости от средней температуры воздуха за пятилетний период. Страны ЕЭС имеют свой стандарт на питьевую воду, который несколько отличается от Международных норм ВОЗ и более существенно от ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая", введенного в действие в СССР. Гигиенические требования стандарта ЕЭС к физическим свойствам и химическому составу питьевой воды приведены в табл. 3.8.

Таблица 3.8

Приведенные данные, естественно, не претендуют на полный охват требований. Однако уже по этим данным можно отметить, что европейский стандарт более строго лимитирует лишь верхний предел показателей. Именно этим он принципиально отличается от советского стандарта и Международных норм.

Санитарные требования к микробному составу питьевой воды включают следующие показатели:

• общее число бактерий в 1 мл: при 37°С - 10, при 22°С - 100;
• общие и фекальные коли-формы отсутствуют в 100 мл.

В настоящее время еще не решен вопрос о возможности и условиях добавки морской воды в опресненную воду в процессе приготовления искусственной питьевой воды. Необходимо отметить, что эксперты Всемирной организации здравоохранения (Женева, 1962) считают недопустимым добавку морской воды к дистилляту для питья. Практически же это делается как на судах, так и на материковых объектах.

Предварительные исследования ИОКГ им. А. Н. Сысина не обнаружили вредного влияния разбавленной морской воды. Необходимы более широкие и длительные наблюдения. Добавка морской воды к дистилляту неизбежно переводит эту смесь в группу натрийхлоридносульфатных вод. Установлено, что опресненная питьевая вода кальцийгидрокарбонатного класса лучше утоляет жажду, а следовательно, сохраняет оптимальный водный баланс в организме.

В практике водоснабжения объектов, находящихся в аридных материковых зонах или в автономных условиях эксплуатации, получили распространение следующие методы приготовления питьевой опресненной воды: реагентный; фильтрационный; комбинированный или реагентно-фильтрационный.

Сорбционная очистка опресненной воды и ее кондиционирование во всех методах водоподготовки практически одинаковы. Поэтому название каждого метода приготовления питьевой воды определяют по технологическому процессу минерализации опресненной воды. При реагентном методе солевую коррекцию опресненной воды осуществляют путем введения определенной композиции химически чистых реагентов, хорошо растворимых в воде и не содержащих каких-либо токсичных компонентов и примесей. Однако возможности в подборе солевых композиций весьма ограничены главным образом хлоридными, сульфатными и частично карбонатными солями кальция, магния и натрия. При введении таких солей опресненная вода содержит целый ряд макрокомпонентов, а именно катионы Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, (K⁺) и анионы Сl^-, SО₄^2-, CО₃^2- и НСО₃^-.

Для получения питьевой воды высокого качества первостепенное значение имеют кальций- и гидрокарбонат-ионы. Содержание других макрокомпонентов в питьевой опресненной воде строго регламентируется. При фильтрационном методе (П. Ф. Ипатов, 1975) приготовления питьевой воды происходит обогащение ее гидро карбонатом кальция путем дозировки водного раствора диоксида углерода в агрессивной форме и фильтрования опресненной воды через зернистый слой карбоната кальция. При комбинированном методе [16] осуществляют одновременно оба технологических процесса. В целях упрощения комбинированной технологии и снижения себестоимости приготовления питьевой воды вместо добавки в опресненную воду искусственных солевых композиций применяют пригодную в санитарном отношении местную минерализованную воду. После очистки опресненной воды сорбцией и частичной минерализацией ее осуществляется кондиционирование с целью обеспечения надлежащего качества и стабильности питьевой опресненной воды. Технология кондиционирования зависит от метода получения опресненной воды. При опреснении морской воды термическим методом технология кондиционирования является наиболее простой (стандартной) благодаря хорошему качеству дистиллята как по макро-, так и по микрокомпонентному составу. При опреснении природных минерализованных вод мембранными методами можно получить опресненую воду на более высоком уровне солесодержания и при наличии некоторых лимитирующих компонентов (например, бора или брома) в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации для питьевой опресненной воды. Рассмотрим каждый метод приготовления питьевой опресненной воды более подробно.

Реагентный метод. Термически опресненная морская вода содержит незначительное количество солей. Поэтому композицию солевых компонентов выбирают с расчетом получения оптимального уровня солесодержания в пределах 200-400 ^мг/_л и необходимых концентраций основных макрокомпонентов: кальция, магния, натрия, калия, гидрокарбонатов, хлоридов и сульфатов. В качестве исходных продуктов принимают химически чистые вещества: карбонат натрия (Na₂CO₃), хлористый кальций (CaCl₂), сульфат натрия (Na₂SO₄), карбонат магния (MgCO₃), фтористый или кремнефтористый натрий. Для того чтобы питьевая вода содержала 2 ^г*экв/_м³ или 40 ^г/_м³ кальция, необходимо в состав солевой композиции ввести хлористый кальций в количестве 111 ^г/_м³. При этом в воду поступят хлориды в количестве 71 ^г/_м³. Для ограничения содержания магния в воде не более 12 ^г/_м³, что соответствует 0,5 ^г*экв/_м, можно произвести добавку карбоната магния в количестве 21 ^г/_м³, в том числе карбонатион 15 ^г/_м³. Если ввести в композицию сульфат натрия в количестве 1 ^г*экв/_м³ и карбонат натрия в количестве 2 ^г*экв/_м³, то в воде будет дополнительно 96 ^г/_м³ сульфатов, 60 ^г/_м³ карбонатов и 69 ^г/_м³ натрия. При норме фтора в питьевой воде 1,2 ^г/_м³ и с учетом присутствия его в дистилляте 0,14 ^г/_м³ необходимо ввести в опресненную воду фторид натрия: (1,2 - 0,14)/19 = 0,055 ^г*экв/_м³ или 0,055*42 = 2,34 ^г/_м³. При этом в воду поступит натрий в количестве 0,055*23 = 1,3 ^г/_м³.

Кремнефтористый натрий менее технологичен в производственных условиях эксплуатации реагентного хозяйства. Поэтому применение его в качестве фтористого реагента ограничивается. Хлористый натрий в композицию можно не включать, так как поваренная соль употребляется человеком с пищей. Кроме того, в солевой композиции из пяти компонентов содержание натрия и хлоридов вполне достаточно. Таким образом, в принятой солевой композиции в расчете на 1 м³ опресненной воды содержатся макрокомпоненты в следующем количестве:

Возможное присутствие K⁺ в солевой композиции условно оцениваем в сумме с натрий-ионом. Необходимо также учесть присутствующие в дистилляте собственные катионы и анионы. Воспользуемся для этого данными о составе дистиллята, приведенными в табл. 2.1, Кроме того, следует иметь в виду, что присутствующая в дистилляте агрессивная углекислота в количестве 2,85:22 - 0,13 ^г*экв/_м³ может способствовать образованию гидрокарбонат-иона в количестве 0,13*61 = 0,8 ^г/_м³.

После внесения солевой композиции в опресненную воду (дистиллят) получим следующий ионный состав:

Солесодержание обогащенной воды составит

Проверим невязку в расчете ионного состава, для чего массовые концентрации катионов и анионов представим в соответствующих эквивалентных величинах:

Невязка Δ составит:

что вполне допустимо в технологии реагентного обогащения опресненной воды.

Технология приготовления питьевой опресненной воды осуществляется последовательно по схеме: глубокая очистка дистиллята сорбцией на активном угле, реагентная минерализация очищенного дистиллята, кондиционирование минерализованной воды (стабилизация и обеззараживание).

Существенным недостатком реагентного метода солевого обогащения опресненной воды является большой расход солевых химически чистых реагентов, которые являются дефицитными и дорогими. При удельном расходе солевой композиции 350 ^г/_м³ для установки производительностью 500 ^м3/_ч расход указанных реагентов составит 4,2 ^т/_сут или 1533 ^т/_год. В известной мере этим недостатком объясняется тот факт, что настоящее время реагентный метод обогащения опресненной воды или, как его иначе называют метод солевых композиций (добавок), вытесняется более надежным и дешевым фильтрационным методом как на крупных станциях, так и на малых установках, находящихся в аридных зонах и а автономных условиях эксплуатации.

Фильтрационный метод. Наилучшей питьевой водой в природных источниках является вода кальций-карбонатного класса, в которой доминируют два макрокомпонента: кальций-ион и гидрокарбонат-ион. Фильтрационный метод обеспечивает обогащение опресненной воды гидрокарбонатом кальция. Технологический процесс фильтрационного обогащения дистиллята заключается в следующем. В общий поток дистиллята дозируется диоксид углерода в виде водного раствора. Благодаря незабуферен-ности водной среды диоксид углерода находится в агрессивной форме. При фильтровании дистиллята с диоксидом углерода через зернистый слой кальций-карбонатной загрузки (мраморная крошка, дробленый известняк, зернистый ракушечник и т.п.) происходит реакция по уравнению

с образованием гидрокарбонатакальция, который диссоциирует

При обеспечении необходимой полноты процесса обогащения в фильтрате будет содержаться эквивалентное количество кальция и гидрокарбоната в зависимости от дозы диоксида углерода. При возможном проскоке в фильтрат диоксид углерода связывают щелочью (Na₂CО₃) на стадии кондиционирования воды. Фильтрационный метод обогащения легко поддается регулированию. Технология приготовления питьевой опресненной воды кальций-карбонатного класса осуществляют последовательно по схеме: очистка дистиллята сорбцией на АУ, фильтрационное обогащение очищенного дистиллята, кондиционирование обогащенного дистиллята до уровня питьевой опресненной воды (фторирование, стабилизация, обеззараживание).

Для обогащения очищенного дистиллята гидрокарбонатом кальция в количестве 2 ^г*экв/_м³ необходимо израсходовать карбоната кальция и углекислоты в количестве соответственно 100 и 44 ^г/_м³. Кальций-карбонатные загрузки (мраморная крошка, дробленый известняк, мелкозернистый ракушечник и т.п.) относятся к местным доступным и дешевым материалам. Вместо баллонной углекислоты можно использовать диоксид углерода сдувочных газов термических испарителей морской воды. Диоксид углерода образуется в испарителях благодаря термическому разложению гидрокарбонатов, содержащихся в морской воде. Установки приготовления питьевой воды (УППВ) целесообразно размещать на одной площадке с дистилляционными установками. При производительности УППВ 500 ^м3/_ч в сутки потребуется 1200 кг зернистого карбоната кальция и 528 кг углекислоты в виде водного раствора, а в течение года потребность в них составит соответственно 438 и 193 т. Способ захвата диоксида углерода сдувочных газов освоен в опытно-производственных и промышленных условиях. В частности, осуществлен процесс захвата и дозировки сдувочной углекислоты в тракт регенеративного подогрева морской воды для предотвращения карбонатных отложений в теплообменниках на 10-корпусных опреснительных батареях.

Определим общее солесодержание питьевой опресненной воды кальций-карбонатного класса. При Са²⁺ = 2 ^г*экв/_л или 40 ^г/_м³ в воде образуется гидрокарбоната кальция в количестве 162 ^г/_м³. В самом дистилляте имеем 26 ^г/_м³ в суммарном ионном виде. При кондиционировании в воду вводятся дополнительно:

• при дозе фтора 1,06 ^г/_м³ - фтористый натрий в количестве 2,34 ^г/_м³;
• при проскоке 5,5 ^г/_м³ углекислоты и подщелачивании раствором кальцинированной соды - 42 ^г/_м³ гидрокарбоната натрия;
• при обеззараживании газообразным хлором дозой 2,5 ^г/_м³ - хлорной и хлорноватистой кислоты в количестве 0,07 (36,5 + 52,5)/2 = 3,12 ^г/_м³.

Общая солевая добавка составит 9,1 ^г/_м³.

Таким образом, общее солесодержание питьевой опресненной поды будет

Поправочный коэффициент K = 1,05 введен для учета возможных дополнительных поступлений солевых компонентов при содержании магния в кальций-карбонатной загрузке.

Комбинированный метод приготовления питьевой опресненной воды осуществляют по схеме: глубокая очистка дистиллята сорбцией на активном угле (АУ), обогащение его гидрокарбонатом кальция, дополнительная минерализация солевой добавкой, кондиционирование. Первый и второй этапы осуществляются в сорбционных аппаратах и в аппаратах обогащения, как и при фильтрационном методе приготовления питьевой опресненной воды кальций-карбонатного класса. На третьем этапе, в качестве солевой добавки целесообразно использовать местную минерализованную воду (артезианскую или очищенную морскую). При наличии в минерализованной воде кальций-иона можно соответственно снизить уровень обогащения дистиллята на втором этапе. Кондиционирование смеси на четвертом этапе может несколько упроститься. Например, может не потребоваться фторирование и стабилизация воды, а обеззараживание ее может осуществляться большей дозой активного хлора. Добавка минерализованной воды сокращает расход опресненной воды. После обогащения дистиллята солесодержание его составит 188 ^г/_м³. При добавке минерализованной воды с солесодержанием 2500 ^г/_м³ в количестве 5% расчетного расхода общее солесодержание смеси будет (0,95*188 + 0,05*2500)/1,0 = 303,6 ^г/_м³.

При обеззараживании большей дозой активного хлора солесодержание воды составит около 310 ^г/_м³, т. е. на уровне среднего оптимального солесодержания питьевой искусственно приготовленной воды.

Приведенные выше расчеты наглядно показывают технологические возможности и особенности каждого метода приготовления искусственной питьевой воды на базе термических опреснителей морской воды. Расчетный физико-химический состав питьевой опресненной воды должен быть проверен пробной обработкой дистиллята по соответствующей технологической схеме с обязательным постадийным анализом воды. Это позволит более надежно определить физико-химический состав питьевой опресненной воды и возможное присутствие в ней дополнительных компонентов и примесей в дисперсном и растворенном виде.