Использование природных вод открытых водоемов, а иногда и подземных вод в целях хозяйственно-питьевого водоснабжения практически невозможно без предварительного улучшения свойств воды и ее обеззараживания. Чтобы качество воды соответствовало гигиеническим требованиям, применяют предварительную обработку, в результате которой вода освобождается от взвешенных частиц, запаха, привкуса, микроорганизмов и различных примесей. Такое улучшение свойств воды достигается на водопроводных станциях.

Для улучшения качества воды применяются следующие методы: 1) очистка – удаление взвешенных частиц; 2) обеззараживание – уничтожение микроорганизмов; 3) специальные методы улучшения органолептических свойств воды, умягчение, удаление некоторых химических веществ, фторирование и др.

Очистка воды является важным этапом в общем комплексе методов улучшения качества воды, т.к. улучшает ее физические и органолептические свойства. При этом в процессе удаления из воды взвешенных частиц удаляется и значительная часть микроорганизмов, в результате чего полная очистка воды позволяет легче и экономичнее проводить обеззараживание. Очистка осуществляется механическим (отставание), физическим (фильтрование) и химическим (коагулирование) методами.

Отстаивание, при котором происходит осветление и частичное обесцвечивание воды, осуществляется в специальных сооружениях - отстойниках. Используются 3 конструкции отстойников: горизонтальные, вертикальные и радиальные.

Горизонтальные отстойники – прямоугольные железобетонные резервуары, в которых вода движется в горизонтальном направлении от одного торца к другому. Вертикальные отстойники – круглые или квадратные железобетонные резервуары, в которых вода движется снизу вверх. Радиальные отстойники – круглые железобетонные резервуары. Скорость движения изменяется от максимальной в центре до минимальной у периферии.

Принцип их действия состоит в том, что благодаря поступлению и замедленному протеканию воды в отстойнике основная масса взвешенных частиц оседает на дно. Процесс отстаивания в отстойниках различной конструкции продолжается в течение 2-8 ч. Однако мельчайшие частицы, в том числе значительная часть микроорганизмов, не успевает осесть. Поэтому отстаивание нельзя рассматривать как основной метод очистки воды.

Фильтрация – процесс более полного освобождения воды от взвешенных частиц, заключающейся в том, что воду пропускают через фильтрующий мелко пористый материал, чаще всего песок с определенным размером частиц. Фильтруясь, вода оставляет на поверхности и в глубине фильтрующего материала взвешенные частицы.

По скорости фильтрования фильтры делят на медленные (0,1-0,3 м³/ч), скорые (5-12 м³/ч) и сверхскорые (36-100 м³/ч); по давлению – безнапорные (открытые) и напорные; по крупности фильтрующего материала – мелко-, средне- и крупнозернистые; по числу фильтрующих слоев – одно-, двух- и многослойные.

При местном водоснабжении для обеспечения ферм водой чаще применяют медленные фильтры (рис. 19).

Фильтры представляют собой резервуары (открытые или подземные) из водонепроницаемого материала. На дно резервуара последовательно укладывают булыжник или щебень, крупный гравий и слой крупного песка. Самый верхний слой составляет мелкий песок. Толщина подстилающего слоя (булыжник и гравий) равняется 0,6-0,9 м, а фильтрующего слоя (песок) – 0,8-1,2 м. Для стока профильтрованной воды на дне резервуара прокладывают каналы из кирпича или гончарных труб.

При фильтровании на поверхности фильтра образуется биологическая пленка. Она состоит из мелких частиц, взвешенных в фильтрующей воде планктона, и бактерий. На поверхности фильтра задерживается мелкая взвесь, за счет чего значительно улучшается фильтрование.

Рис. 19. Схема устройства фильтра.

С течением времени биологическая пленка уплотняется. Сопротивление фильтра увеличивается. Вот почему медленные фильтры периодически очищают. Снимают один раз в 1,5-2 мес. вручную (скребками) верхний слой песка толщиной 2-3 см и на некоторое время выключают фильтр. После образования новой пленки направляют фильтрат в сборники для чистой воды.

Коагуляция представляет собой химический метод очистки воды. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет освободить воду от загрязнений, находящихся в виде взвешенных частиц, не поддающихся удалению с помощью отстаивания и фильтрации. Сущность коагуляции заключается в добавлении к воде химического вещества – коагулянта, способного реагировать с находящимися в ней бикарбонатами. В результате этой реакции образуются крупные, довольно тяжелые хлопья, несущие положительный заряд. Оседая вследствие собственной тяжести, они увлекают за собой находящиеся в воде во взвешенном состоянии частицы загрязнений, заряженные отрицательно, и тем самым способствуют довольно быстрой очистке воды. За счет этого процесса вода становится прозрачной, улучшается показатель цветности.

В качестве коагулянта в настоящее время наиболее широко применяется сульфат алюминия, образующий с бикарбонатами воды крупные хлопья гидроксида алюминия, оксихлорид алюминия, алюминат натрия и др. Для улучшения процесса коагуляции используются высокомолекулярные флокулянты: активизированная кремневая кислота и другие синтетические препараты, производные акриловой кислоты, в частности полиакриламид.

В настоящее время в водопроводной системе применяется установка, заменяющая комплекс очистных сооружений обычного типа и работающая по схеме: коагуляция – отстаивание – фильтрация. Она называется контактным осветлителем (рис. 20) и представляет собой бетонный резервуар, заполненный гравием и песком на высоту 2,3-2,6 м. Вода подается через систему труб в нижнюю часть осветления, а коагулянт вводится непосредственно в трубопровод перед поступлением воды в осветлитель. Коагуляция происходит в нижних крупнозернистых частях осветления, а в верхних задерживаются хлопья коагулянта и другие взвешенные вещества.

Рис. 20 Схема устройства контактного осветления

Обеззараживание. Уничтожение микроорганизмов является последним завершающим этапом обработки воды, обеспечивающим ее эпизотологическую и эпидемиологическую безопасность. Для обеззараживания воды применяются химические (реагентные) и физические (безреагентные) методы.

Химические (реагентные) методы обеззараживания основаны на добавлении к воде различных химических веществ, вызывающих гибель находящихся в воде микроорганизмов. В качестве реагентов могут быть использованы различные сильные окислители: хлор и его соединения, озон, перманганат калия, некоторые соли благородных металлов и др.

В санитарной практике наиболее надежным и испытанным способом обеззараживания воды является хлорирование. Оно производится при помощи газообразного хлора и растворов хлорной извести. Кроме этого, могут использоваться такие соединения хлора, как гипохлорат натрия, гипохлорит кальция, двуокись хлора.

Механизм действия хлора заключается в том, что при добавлении его к воде он гидролизуется, в результате чего происходит образование хлорноватистой кислоты (НО Cl), которая диссоциирует на ионы водорода (Н) и гипохлоритные ионы (О Сl), которые обладают бактерицидными свойствами.

Бактерицидный эффект основан на угнетении ферментов – катализаторов окислительно-восстановительных процессов, обеспечивающих энергетический обмен бактериальной клетки.

Обеззараживающее действие хлора зависит от многих факторов, среди которых доминирующими являются биологические особенности микроорганизмов, активность действующих препаратов хлора, состояние водной среды и условия, в которых происходит хлорирование.

Процесс хлорирования зависит от стойкости микроорганизмов. Наиболее устойчивыми являются спорообразующие. Также важным является массивность микробного обсеменения: чем она выше, тем больше хлора нужно для обеззараживания воды. Эффективность обеззараживания зависит от активности используемых хлорсодержащих препаратов. Так, газообразный хлор более эффективен, чем хлорная известь.

Большое влияние на процесс хлорирования оказывает состав воды; процесс замедляется при наличии большого количества органических веществ, т.к. большее количество хлора уходит на их окисление, и при низкой температуре воды. Существенным условием хлорирования является правильный выбор дозы. Чем выше доза хлора и чем продолжительнее его контакт с водой, тем более высоким будет обеззараживающий эффект.

Хлорирование производится после очистки воды и является заключительным этапом ее обработки на водопроводной станции. Иногда для усиления обеззараживающего эффекта и для улучшения коагуляции часть хлора вводят вместе с коагулянтом, а другую часть, как обычно, после фильтрации. Такой метод называется двойным хлорированием.

Различают обычное хлорирование, т.е. хлорирование нормальными дозами хлора, которые устанавливаются каждый раз опытным путем и гиперхлорирование, т.е. хлорирование повышенными дозами.

Хлорирование нормальными дозами применяется в обычных условиях на всех водопроводных станциях. При этом большое значение имеет правильный выбор дозы хлора, что обуславливает степень хлорпоглощаемости воды в каждом конкретном случае.

Для достижения полного бактерицидного эффекта определяется оптимальная доза хлора, которая складывается из активного хлора, которое необходимо для а) уничтожения микроорганизмов; б) окисления органических веществ и количество хлора, которое должно остаться в воде после ее хлорирования для того, чтобы служить показателем надежности хлорирования. Это количество называется остаточным хлором. Его норма 0,3-0,5 мг/л.

Необходимость нормирования этих количеств связана с тем, что при наличии остаточного хлора менее 0,3 мг/л его может быть недостаточно для обеззараживания воды, а при дозах выше 0,5 мг/л вода приобретает неприятный специфический запах хлора.

Главными условиями эффективного хлорирования воды являются перемешивание ее с хлором, контакт между обеззараживанием водой и хлором в течение 30 мин в теплое время года и 60 мин в холодное.

На крупных водопроводных станциях для обеззараживания воды применяют газообразный хлор. Для этого жидкий хлор, доставляемый на водопроводную станцию в цистернах или баллонах, перед применением переводится в газообразное состояние в специальных установках – хлораторах, с помощью которых обеспечиваются автоматическая подача и дозирование хлора.

Наиболее часто хлорирование воды производится 1% раствором хлорной извести. Техническая хлорная известь содержит обычно около 35% активного хлора. При хранении ее в сыром помещении, на свету и при высокой температуре она разлагается и значительно снижает свою активность.Для обеззараживания воды допускается не менее 25% активного хлора. Поэтому прежде чем использовать хлорную известь для хлорирования воды, необходимо определить в ней процентное содержание активного хлора.

Гиперхлорирование воды производится по особым показателям или в условиях, когда невозможно обеспечить необходимый контакт воды с хлором (в течение 30 мин.). Основными преимуществами являются значительное сокращение времени хлорирования (до 10-15 мин.), укрощения его техники, т.к. нет необходимости определить остаточный хлор и дозу, и возможность обеззараживания воды без предварительного освобождения ее от мути и осветления. Недостатком гиперхлорирования является сильный запах хлора, но его можно устранить добавлением к воде тиосульфата (гипосульфита) натрия и других веществ (дехлорирование).

На водопроводных станциях иногда проводят хлорирование с преаммонизацией. Этот метод применяется в тех случаях, когда обеззараживаемая вода содержит фенол или другие вещества, которые придают ей неприятный запах. Для этого в обеззараживаемую воду вначале вводят аммиак и его соли, а затем через 1-2 мин. хлор. При этом образуются хлорамины, обладающие сильным бактерицидным свойством.

К химическим методам обеззараживания воды относится озонирование. Озон является нестойким соединением. В воде он разлагается с образованием молекулярного и атомарного кислорода, с чем связана сильная окислительная способность озона. В процессе его разложения образуются свободные радикалы ОН и НО₂, обладающие выраженными окислительными свойствами. Озон обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом, поэтому его реакция с органическими веществами, находящимися в воде, происходит более полно, чем у хлора. Механизм обеззараживающего действия озона аналогичен действию хлора: являясь сильным окислителем, озон повреждает жизненно важные ферменты микроорганизмов и вызывает их гибель. Имеются предположения, что он действует как протоплазматический яд.

Преимущество озонирования перед хлорированием заключается в том, что при этом способе обеззараживания улучшаются вкус и цвет воды, поэтому озон может быть использован одновременно для улучшения ее органолептических свойств. Озонирование не оказывает отрицательного влияния на минеральный состав и рН воды. Избыток озона превращается в кислород, поэтому остаточный озон не опасен для организма и не влияет на органолептические свойства воды. Для обеззараживания воды необходимая доза озона в среднем равна 0,5-6 мг/дм³ при экспозиции 3-5 мин. Озонирование производится при помощи специальных аппаратов – озонаторов.

При химических способах обеззараживания воды используют также олигодинамические действия солей благородных металлов (серебра, меди, золота). Олигодинамическим действием благородных металлов называется их способность оказывать бактерицидный эффект в течение длительного срока при крайне малых концентрациях. Механизм действия заключается в том, что положительно заряженные ионы металлов вступают в воде во взаимодействие с микроорганизмами, имеющими отрицательный заряд. Происходит электроадсорбция, в результате которой они проникают в глубь микробной клетки, образуя в ней альбуминаты металлов (соединения с нуклеиновыми кислотами), в результате чего микробная клетка погибает. Данный метод обычно применяется для обеззараживания небольших количеств воды.

Перекись водорода давно известна как окислитель. Ее бактерицидное действие связано в выделением кислорода при разложении.

Химические, или реагентные, способы обеззараживания, основанные на добавлении к ней того или иного химического вещества в определенной дозе, имеют ряд недостатков, которые заключаются главным образом в том, что большинство этих веществ отрицательно влияет на состав и органолептические свойства воды. Кроме того, бактерицидное действие этих веществ проявляется после определенного периода контакта и не всегда распространяется на все формы микроорганизмов и практически не действует на яйца и личинки гельминтов. Все это явилось причиной разработки физических (безреагентных) методов обеззараживания воды.

Наиболее разработанным и изученным в техническом отношении методом является облучение воды ультрафиолетовыми лампами: бактерицидными ДБ-15, ДБ-30 и ртутно-кварцевыми лампами ПРК–2 (ДРТ-400) и ПРК-4 (ДРТ-1000).

Обеззараживание наступает быстро в течение 1-2 мин при использовании бактерицидных ламп. При этом под действием УФ-лучей длиной волны 254-260 нм погибают не только вегетативные формы микробов, но и спорообразующие, а также вирусы, яйца гельминтов, устойчивые к действию хлора. Применение бактерицидных ламп не всегда возможно, т.к. на эффект обеззараживания воды УФ-лучами влияют мутность, цветность воды, содержание в ней солей железа. Поэтому прежде чем обеззараживать воду таким способом, ее необходимо тщательно очистить.

Из всех имеющихся физических методов обеззараживания воды наиболее надежным является кипячение. В результате кипячения в течение 3-5 мин погибают все имеющиеся в ней микроорганизмы, а после 30 мин вода становится полностью стерильной. Несмотря на высокий бактерицидный эффект, этот метод не находит широкого применения для обеззараживания больших объемов воды из-за значительных энергозатрат. Недостатком кипячения является ухудшение вкуса воды, наступающего в результате улетучивания газов, и возможности более быстрого развития микроорганизмов в кипяченой воде.

К физическим методам обеззараживания относится использование импульсного электрического разряда, ультразвука и ионизирующего излучения. В настоящее время эти методы широкого практического применения не находят.

Специальные способы улучшения качества воды.

Помимо основных методов очистки и обеззараживания воды, в некоторых случаях возникает необходимость производить специальную ее обработку. В основном эта обработка направлена на улучшение минерального состава воды.

Ее можно проводить, во-первых, путем удаления из воды избыточных количеств солей и газов (умягчение, опреснение, обезжелезивание, обесфторивание, дегазация и др.). Или, во-вторых, путем добавления к воде специальных солей для улучшения органолептических свойств воды или повысить содержание в ней микроэлементов (фтор и др.).

Метод ионного обмена основан на пропускании воды через ионитные фильтры (аниониты и катиониты) – установки из специальных нерастворимых зернистых материалов (ионообменные смолы), обладающие свойством обмениваться входящими в их состав ионами на ионы, содержащиеся в фильтруемой воде.

При пропускании воды через ионитные фильтры образуются подвижные ионы ионита, которые и диффундируют в раствор (воду), а ионы из раствора (воды) – внутрь ионита. После продолжительного использования таких фильтров последние восстанавливают путем регенерации (фильтрования концентрированных солей ионами которых следует насытить ионит).

Умягчение воды – полное или частичное удаление из нее катионов кальция и магния, которое проводится специальными реагентами (гашеная известь, содово-известковый раствор) или при помощи ионообменного и термического методов.

Опреснение (обессоливание) воды чаще производится при подготовке ее к промышленному использованию. Опреснение достигается дистилляцией воды, которая производится в различных опреснителях (вакуумные, многоступенчатые, гелиотермические), ионитовых установках, а также электрохимическим способом и методом вымораживания.

Обезжелезивание – удаление из воды железа проводится аэрацией с последующим отстаиванием, коагулированием, известкованием, катионированием. В настоящее время разработан метод фильтрирования воды через песчаные фильтры. При этом закисное железо задерживается на поверхности зерен песка.

Обесфторивание – освобождение природных вод от избыточного количества фтора. С этой целью применяют метод осаждения, основанный на сорбции фтора осадком гидроокиси алюминия.

Дегазация воды – удаление из нее растворенных дурнопахнущих газов. Для этого применяется аэрация, т.е. разбрызгивание воды на мелкие капли в результате чего происходит выделение газов.

Дезодорация – удаление посторонних запахов и привкусов. Необходимость проведения такой обработки обусловливается наличием в воде запахов, связанных с жизнедеятельностью микроорганизмов, грибов, водорослей, продуктов распада и разложения органических веществ. С этой целью применяются такие методы, как озонирование, углевание, хлорирование, обработка воды перманганатом калия, перекисью водорода, фторирование через сорбционные фильтры, аэрация.

При недостатке в воде фтора ее фторируют. В случае загрязнения воды радиоактивными веществами ее подвергают дезактивации, т.е. удалению радиоактивных веществ.

Поение животных

Достаточное и своевременное поение животных, как и кормление, - обязательное условие успешного развития животноводства. Качество воды, ее количество и своевременность поступления в организм поддерживает гармоническое течение сложных секреторных и моторных функций пищеварительного тракта, более эффективное использование питательных веществ корма. Количество воды, выпитой животными, потребность в ней может колебаться в очень широких пределах. К наиболее важным факторам, определяющим потребность животных в питьевой воде, относят вид, возраст, физиологическое состояние, уровень продуктивности, систему содержания и условия эксплуатации, тип кормления и состав кормов, погодные условия. Нередко уровень потребления воды зависит и от индивидуальных особенностей животных и качества самой воды. Потребность (ориентировочная) животных в воде в среднем следующая (л/кг сухого вещества корма): для лошадей – 2-3, крупного рогатого скота – 4-6, свиней – 6-8, овец – 2-3.

Чувство жажды появляется при потере воды организмом, равной 1% массы тела.

При организации водоснабжения на животноводческих предприятиях и при расчете водопотребления пользуются утвержденными нормами (табл. 7).

Таблица 7