Очистка сточных вод является любой процесс , который улучшает качество из воды , чтобы сделать его пригодным для конкретного конечного использования. Конечным использованием может быть питьевое , промышленное водоснабжение, орошение , поддержание речного стока, отдых на воде или многие другие виды использования, включая безопасное возвращение в окружающую среду. Обработка воды удаляет загрязнители и нежелательные компоненты или снижает их концентрацию, так что вода становится пригодной для желаемого конечного использования. Это лечение имеет решающее значение для здоровья человека и позволяет людям получать пользу как от питья, так и от орошения.
Очистка питьевой воды
Обработка для производства питьевой воды включает удаление загрязняющих веществ и / или инактивацию любых потенциально вредных микробов из сырой воды для получения воды, достаточно чистой для потребления человеком без какого-либо краткосрочного или долгосрочного риска какого-либо неблагоприятного воздействия на здоровье. В целом, наибольшие микробные риски связаны с употреблением воды, загрязненной фекалиями человека или животных (в том числе птиц). Фекалии могут быть источником болезнетворных бактерий, вирусов, простейших и гельминтов. Удаление или уничтожение микробных патогенов имеет важное значение и обычно включает использование реактивных химических агентов, таких как взвешенные твердые частицы , для удаления бактерий , водорослей , вирусов , грибов и минералов, включая железо и марганец . Эти вещества продолжают наносить большой вред нескольким менее развитым странам, не имеющим доступа к эффективным системам очистки воды.
Меры, принимаемые для обеспечения качества воды, связаны не только с обработкой воды, но и с ее транспортировкой и распределением после очистки. Поэтому обычной практикой является сохранение в очищенной воде остатков дезинфицирующих средств для уничтожения бактериологического загрязнения во время раздачи и для поддержания чистоты труб.
Вода, подаваемая на бытовые объекты, например для водопроводной воды или для других целей, может быть дополнительно очищена перед использованием, часто с использованием поточного процесса очистки. Такие обработки могут включать смягчение воды или ионный обмен. Многие запатентованные системы также утверждают, что удаляют остатки дезинфицирующих средств и ионов тяжелых металлов . [ необходима цитата ]
Процессы
Процессы, связанные с удалением загрязняющих веществ, включают физические процессы, такие как осаждение и фильтрация , химические процессы, такие как дезинфекция и коагуляция , и биологические процессы, такие как медленная фильтрация через песок .
Комбинация, выбранная из следующих процессов (в зависимости от сезона и загрязнителей и химикатов, присутствующих в неочищенной воде), используется для очистки питьевой воды муниципальных образований во всем мире.
Химическая
- Предварительное хлорирование для борьбы с водорослями и остановки биологического роста.
- Аэрация вместе с предварительным хлорированием для удаления растворенного железа, если присутствует относительно небольшое количество марганца.
- Дезинфекция для уничтожения бактерий, вирусов и других патогенов с использованием хлора, озона и ультрафиолетового света.
Физический
- Осаждение для отделения твердых частиц, то есть удаление взвешенных твердых частиц, захваченных флоком.
- Фильтрация для удаления частиц из воды либо путем прохождения через песчаный слой, который можно мыть и повторно использовать, либо путем прохождения через специально разработанный фильтр, который можно мыть.
- Флотация растворенного воздуха для удаления взвешенных частиц.
Физио-химический
Также называется «обычным» лечением.
- Коагуляция для флокуляции .
- Коагулянты, также известные как полиэлектролиты, для улучшения коагуляции и более устойчивого образования хлопьев.
- полиэлектролиты или также известные в данной области как полимеры , обычно состоят из положительного или отрицательного заряда. Природа используемого полиэлектролита полностью зависит от характеристик исходной воды очистной установки.
- Обычно они используются в сочетании с первичным коагулянтом, таким как хлорид железа, сульфат железа или квасцы.
Биологические
- Медленная фильтрация через песок с использованием биопленки для метаболизма органических веществ, адсорбции растворимых компонентов и улавливания твердых частиц.
Технологии
Технологии для питьевой воды и других применений хорошо разработаны, и доступны обобщенные проекты, из которых можно выбрать процессы очистки для пилотных испытаний на конкретном источнике воды. Кроме того, ряд частных компаний предоставляют запатентованные технологические решения для обработки конкретных загрязняющих веществ. Автоматизация водоподготовки широко распространена в развитых странах. Качество исходной воды в зависимости от времени года, масштаба и воздействия на окружающую среду может определять капитальные и эксплуатационные расходы. Конечное использование очищенной воды диктует необходимые технологии мониторинга качества, а имеющиеся на местах навыки обычно диктуют уровень принятой автоматизации.
Опреснение
Из соленой воды можно получить пресную. Используются два основных процесса: обратный осмос или дистилляция . [1] Оба метода требуют больше энергии, чем водоподготовка местных поверхностных вод, и обычно используются только в прибрежных районах или там, где вода, такая как грунтовые воды, имеет высокую соленость. [2] [3]
Портативная очистка воды
Жизнь вдали от источников питьевой воды часто требует некоторой формы процесса очистки питьевой воды. Они могут различаться по сложности: от простого добавления дезинфицирующей таблетки в бутылку с водой туриста до сложных многоступенчатых процессов, переносимых лодкой или самолетом в районы бедствия.
Учредительный | Единичные процессы |
Мутность и частицы | Коагуляция / флокуляция, седиментация, гранулированная фильтрация |
Основные растворенные неорганические вещества | Смягчение, аэрация, мембраны |
Незначительные растворенные неорганические вещества | Мембраны |
Патогены | Седиментация, фильтрация, дезинфекция |
Основные растворенные органические вещества | Мембраны адсорбционные |
Стандарты
Многие развитые страны определяют стандарты, которые должны применяться в их собственных странах. В Европе это включает Европейскую директиву о питьевой воде [4], а в Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды США (EPA) устанавливает стандарты в соответствии с требованиями Закона о безопасной питьевой воде . Для стран, не имеющих законодательной или административной базы для таких стандартов, Всемирная организация здравоохранения публикует рекомендации по стандартам, которые должны быть достигнуты. [5] Китай принял собственный стандарт питьевой воды GB3838-2002 (тип II), принятый Министерством охраны окружающей среды в 2002 году. [6]
Там, где стандарты качества питьевой воды действительно существуют, большинство из них выражается в виде рекомендаций или целей, а не требований, и очень немногие стандарты воды имеют какую-либо правовую основу или подлежат исполнению. [7] Двумя исключениями являются Европейская директива о питьевой воде и Закон о безопасной питьевой воде в США, которые требуют соблюдения определенных стандартов в законодательном порядке.
Промышленная водоподготовка
Процессы
Два из основных процессов очистки промышленных вод являются очистки воды котла и обработка охлаждающей воды . Правильная очистка большого количества воды может привести к реакции твердых частиц и бактерий в трубопроводах и корпусе котла. При отсутствии обработки паровые котлы могут страдать от накипи или коррозии . Накипные отложения могут привести к слабому и опасному оборудованию, в то время как дополнительное топливо требуется для нагрева того же уровня воды из-за повышения теплового сопротивления. Грязная вода низкого качества может стать питательной средой для таких бактерий, как легионелла, что создает опасность для здоровья населения.
Коррозия в котлах низкого давления может быть вызвана растворенным кислородом, кислотностью и чрезмерной щелочностью. Поэтому водоподготовка должна удалять растворенный кислород и поддерживать в котловой воде соответствующие уровни pH и щелочности. Без эффективной обработки воды система охлаждающей воды может страдать от образования накипи, коррозии и загрязнения и может стать питательной средой для вредных бактерий. Это снижает эффективность, сокращает срок службы оборудования и делает работу ненадежной и небезопасной. [8]
Очистка котельной воды
Очистка котловой воды - это тип промышленной очистки воды, направленный на удаление или химическое модифицирование веществ, потенциально повреждающих котел. В разных местах используются разные типы обработки, чтобы избежать образования накипи , коррозии или пенообразования . Внешняя обработка исходной воды, предназначенной для использования в котле, направлена на удаление примесей до того, как они попадут в котел. Внутренняя обработка внутри котла направлена на ограничение способности воды растворять котел и поддержание примесей в формах, которые с наименьшей вероятностью могут вызвать проблемы, прежде чем они могут быть удалены из котла при продувке котла.
Обработка охлаждающей воды
Водяное охлаждение - это метод отвода тепла от компонентов машин и промышленного оборудования. Вода может быть более эффективным теплоносителем там, где воздушное охлаждение неэффективно. В большинстве климатических зон вода обладает преимуществами теплопроводности жидкости с необычно высокой удельной теплоемкостью и возможностью испарительного охлаждения. Низкая стоимость часто позволяет утилизировать как отходы после однократного использования, но в контурах рециркуляции охлаждающей жидкости может быть повышено давление, чтобы исключить потери при испарении и обеспечить большую мобильность и улучшенную чистоту. В контурах рециркуляции охлаждающей жидкости без давления с испарительным охлаждением требуется продувка отработанного потока для удаления примесей, концентрированных за счет испарения. Недостатки систем водяного охлаждения включают ускоренную коррозию и требования к техническому обслуживанию для предотвращения снижения теплопередачи из-за биообрастания или образования накипи . Химические добавки для уменьшения этих недостатков могут привести к токсичности сточных вод. Водяное охлаждение обычно используется для охлаждения автомобильных двигателей внутреннего сгорания и крупных промышленных объектов, таких как атомные и паровые электростанции , гидроэлектрические генераторы , нефтеперерабатывающие и химические заводы .
Технологии
Химическая обработка
Химическая обработка - это методы, принятые для того, чтобы сделать техническую воду пригодной для использования или сброса. К ним относятся химическое осаждение, химическая дезинфекция, химическое окисление, расширенное окисление, ионный обмен и химическая нейтрализация. [9]
Физическое лечение
Фильтрация удаляет частицы из воды либо путем прохождения через слой песка, например, в быстром гравитационном фильтре , либо в механическом фильтре.
Флотация растворенного воздуха удаляет взвешенные твердые частицы из воды. [10] Это достигается растворением воздуха в воде под давлением и последующим выпуском воды / воздуха при атмосферном давлении во флотационный резервуар. Выпущенный воздух образует маленькие пузырьки, которые прилипают к взвешенным веществам, заставляя их всплывать на поверхность воды, откуда они могут быть удалены с помощью скиммеров или перелива. [10]
Биологическое лечение
Медленные песочные фильтры используют биологический процесс очистки сырой воды для производства питьевой воды. [11] Они работают с использованием сложной биологической пленки, которая естественным образом растет на поверхности песка. Эта студенистая биопленка, называемая гипогеальным слоем или Schmutzdecke , расположена в верхних нескольких миллиметрах слоя песка. Поверхностная биопленка очищает воду по мере ее прохождения через слой, а нижележащий песок служит опорной средой для слоя биологической очистки. [12] Schmutzdecke состоит из бактерий, грибов, простейших, коловраток и ряда личинок водных насекомых. По мере старения биопленки может развиваться больше водорослей и могут присутствовать более крупные водные организмы, включая мшанок, улиток и кольчатых червей. Когда вода проходит через гипогеальный слой, частицы вещества захватываются слизистой матрицей, а растворимый органический материал адсорбируется. Загрязняющие вещества метаболизируются бактериями, грибами и простейшими. [11]
Медленные песочные фильтры обычно имеют глубину 1-2 метра и имеют скорость гидравлической нагрузки 0,2-0,4 кубических метра на квадратный метр в час. [12] Фильтры теряют свою эффективность, поскольку биопленка утолщается и снижает скорость потока. Фильтр восстанавливается путем удаления биопленки и тонкого верхнего слоя песка. Вода сливается обратно в фильтр и рециркулирует, чтобы дать возможность развиться новой биопленке. В качестве альтернативы влажное боронование включает перемешивание песка и промывку биослоя для утилизации . [12]
Физиохимическая обработка
(также называемый обычным лечением)
Химические флокулянты используются для образования хлопьев в воде, которые улавливают взвешенные твердые частицы. Химические полиэлектролиты используются для увеличения коагуляции взвешенных твердых частиц и улучшения их удаления. [13]
- Он состоит из первичного коагулянта, такого как сульфат железа, и катионного полимера, способствующего коагулянту, которые мгновенно перемешиваются перед тем, как он попадет в резервуар для флокуляции. - После того, как исходная вода, подлежащая обработке, была мгновенно смешана с первичным коагулянтом и полимером , они затем помещаются в какой-либо тип резервуара для флокуляции, где медленное вращение или перемешивание воды смешивает химические вещества вместе, и затем они могут образовывать то, что называется "Flocc", который затем оседает на дно резервуара Floc. -После того, как вода смешалась и образовался флок, он переходит на следующую ступень, которая будет отстойником . Здесь для процесса использовались бы либо трубчатые отстойники, либо пластинчатые отстойники . Вода будет течь по этим трубам или пластинам, позволяя чистой воде перетекать в сточный желоб, который затем переносит «отстоявшуюся» воду к фильтрам для дальнейшей обработки. -Трубки / тарелки на стадии отстаивания позволяют большей площади поверхности для оседания хлопьев. Эти пластины обычно расположены под углом 30-45 °, что позволяет частицам флокса собираться в трубках или пластинах и в конечном итоге попадать на дно отстойника . - Обычно существует какая-то система сбора осадка, которая затем собирает весь осевший флок, он же: осадок, и перекачивает его или перекачивает отходы в резервуар для декантации или резервуар, где они позже утилизируются. -Как только отстоявшаяся вода попала в фильтры и прошла через фильтры, она затем хранится в прозрачном колодце , где вся отфильтрованная вода собирается для дополнительных химических добавок: регулятора pH , хлора и т. Д. подходящее время контакта или время уничтожения , вода выходит из прозрачного колодца и направляется в резервуары для хранения или в распределительную систему, вплоть до крана клиента для использования
Развивающиеся страны
Подходящие варианты технологий для очистки воды включают проекты точек потребления (POU) или самообеспечения как в масштабе сообщества, так и в масштабе домашнего хозяйства . [14] Такие конструкции могут использовать солнечные обеззараживания воды методу, с помощью солнечного облучения для инактивации вредных передаваемых через воду микроорганизмов , непосредственно, в основном компоненте УФ-А солнечного спектра, или косвенно , через присутствие оксида фотокатализатора , как правило , поддерживается TiO 2 в ее анатазная или рутиловая фазы. [15] Несмотря на прогресс в технологии SODIS , военные установки для очистки избыточной воды, такие как ERDLator , по-прежнему часто используются в развивающихся странах. Новые установки для очистки воды обратным осмосом (ROWPU) в стиле милитари - это портативные, автономные водоочистные установки, которые становятся все более доступными для общественного использования. [16]
Чтобы борьба с болезнями, передаваемыми через воду, продолжалась, программы очистки воды, которые научно-исследовательские группы начинают в развивающихся странах, должны быть устойчивыми для граждан этих стран. Это может обеспечить эффективность таких программ после отъезда исследовательской группы, поскольку мониторинг затруднен из-за удаленности многих мест.
Энергопотребление: водоочистные станции могут быть значительными потребителями энергии. В Калифорнии более 4% электроэнергии штата расходуется на транспортировку воды среднего качества на большие расстояния с ее очисткой в соответствии с высокими стандартами. [17] В районах с высококачественными источниками воды, которые самотеком поступают к месту потребления, затраты будут намного ниже. Большая часть энергии требуется для перекачки. Процессы, исключающие необходимость перекачивания, как правило, требуют низких энергозатрат. Технологии очистки воды с очень низким энергопотреблением, в том числе капельные фильтры , песчаные фильтры с медленной скоростью , гравитационные акведуки .
Регулирование
Соединенные Штаты
Закон о безопасной питьевой воде требует, чтобы Агентство по охране окружающей среды США (EPA) установило стандарты качества питьевой воды в общественных системах водоснабжения (организациях, которые обеспечивают водой для потребления людьми не менее 25 человек в течение как минимум 60 дней в году). [18] Обеспечение соблюдения стандартов в основном осуществляется государственными органами здравоохранения. [19] Государства могут устанавливать более строгие стандарты, чем федеральные стандарты. [20]
EPA установило стандарты для более чем 90 загрязнителей, разделенных на шесть групп: микроорганизмы, дезинфицирующие средства, побочные продукты дезинфекции, неорганические химические вещества, органические химические вещества и радионуклиды. [21]
EPA также определяет и перечисляет нерегулируемые загрязнители, которые могут потребовать регулирования. Список кандидатов загрязняющего публикуется каждые пять лет, и EPA требуется решить , следует ли регулировать по крайней мере , пять или более перечисленных загрязнителей. [22]
Местные коммунальные предприятия питьевого водоснабжения могут подавать заявки на получение ссуд под низкие проценты для улучшения помещений через Государственный оборотный фонд питьевой воды. [23]
Великобритания
В Соединенном Королевстве регулирование водоснабжения находится в ведении парламентов Уэльса и Шотландии и Ассамблеи Северной Ирландии .
В Англии и Уэльсе есть два регулирующих органа в сфере водоснабжения.
- Управление по регулированию водных услуг (Ofwat) является экономическим регулятором в водном секторе; он защищает интересы потребителей, способствуя эффективной конкуренции и обеспечивая выполнение компаниями водоснабжения своих уставных функций. Правление Ofwat состоит из председателя, главного исполнительного директора, исполнительных и неисполнительных членов. Штат сотрудников составляет около 240 человек [24].
- Питьевая вода инспекция (ДВИ) обеспечивает независимую гарантию того, что приватизированная индустрия воды обеспечивает безопасную, чистую питьевую воду для потребителей. DWI был основан в 1990 году и состоит из главного инспектора питьевой воды и команды из 40 человек. [25] Текущие стандарты качества воды определены в нормативном акте 2016 г. № 614 «Правила водоснабжения (качества воды) 2016 г.» [26]
Функции и обязанности органов официально определены в Законе о водном хозяйстве 1991 года (1991 c. 56) с поправками, внесенными Законом о воде 2003 года (2003 c. 37) и Законом о воде 2014 года (2014 c. 21). [27]
В Шотландии за качество воды отвечает независимый регулятор качества питьевой воды (DWQR). [28]
В Северной Ирландии Инспекция питьевой воды (DWI) регулирует качество питьевой воды в государственных и частных источниках. [29] Текущие стандарты качества воды определены в Правилах водоснабжения (качества воды) (Северная Ирландия) 2017 года. [30]
Смотрите также
- Контроль загрязнения воды
- Очистка сельскохозяйственных сточных вод
- Закон о чистой воде
- Пиковая вода (предложение и спрос на воду)
- Импульсная очистка воды
- Восстановленная вода
- Очистка сточных вод
- Очистки сточных вод
- Очистка воды
- Качество воды
- Умягчение воды
- Водоснабжение
Рекомендации
- ^ «Опреснение воды» . Стэндфордский Университет. 16 декабря 2002 . Проверено 29 октября 2019 года .
- ^ Линхард, Джон Х .; Тиль, Грегори П .; Уорсингер, Дэвид М .; Банчик, Леонардо Д. (8 декабря 2016 г.). «Низкоуглеродное опреснение: состояние и потребности в исследованиях, разработках и демонстрациях, отчет о семинаре, проведенном в Массачусетском технологическом институте совместно с Глобальным альянсом по опреснению чистой воды». Массачусетский Институт Технологий. hdl : 1721,1 / 105755 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Rouzafay, F .; Шидпур, Р. (2020). «Время жизни и динамика носителей заряда в углеродных наноструктурах ZnO для обработки воды в видимом свете: исследование фемтосекундного переходного поглощения и фотолюминесценции». Экологическая химическая инженерия . 8 (5): 104097. DOI : 10.1016 / j.jece.2020.104097 .
- ^ «Законодательство: Обзор Директивы» . Окружающая среда . Брюссель: Европейская комиссия. 2019-12-31.
- ^ Руководство по качеству питьевой воды, четвертое издание; Всемирная организация здоровья; 2011 г.
- ^ «Экологические стандарты качества поверхностных вод» .
- ^ Какова цель руководств / нормативных требований по качеству питьевой воды? . Канада: Фонд безопасной питьевой воды. PDF. Архивировано 6 октября 2011 года в Wayback Machine.
- ^ Чичек В. (2013). «Защита от коррозии и коррозии в котлах». Катодная защита: промышленные решения для защиты от коррозии . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 9781118737880.
- ^ Пал, Parimal (2017-01-01), Пал, Parimal (редактор), «Глава 2 - Технология химической обработки», Технология промышленного процесса очистки воды , Баттерворт-Хайнеманн, стр. 21–63, doi : 10.1016 / B978- 0-12-810391-3.00002-3 , ISBN 9780128103913
- ^ а б Вонг, Джо (2013). «Флотация растворенного воздуха» . Водный мир . Проверено 26 июня 2020 .
- ^ а б SSWM University. «Медленная фильтрация песка» . SSWM University . Проверено 26 июня 2020 .
- ^ а б в Б. Сизиричи Йылдыз (2012). «Медленная фильтрация песка». DOI : 10.1533 / 9780857096463.3.406 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ SSWM University. «Коагуляция - Флокуляция» . SSWM University . Проверено 26 июня 2020 .
- ^ «Руководство по очистке воды в домашних условиях» . Центр доступного водоснабжения и санитарии, Канада. Март 2008 г.
- ^ «Песок как недорогая основа для фотокатализаторов диоксида титана» . Просмотры материалов . Wiley VCH.
- ^ Линдстен, Дон К. (сентябрь 1984 г.). «Передача технологий: очистка воды, армия США гражданскому сообществу». Журнал трансфера технологий . 9 (1): 57–59. DOI : 10.1007 / BF02189057 . S2CID 154344107 .
- ^ «Энергетические затраты на воду в Калифорнии» . large.stanford.edu . Проверено 7 мая 2017 .
- ^ Соединенные Штаты. Закон о безопасной питьевой воде. Pub.L. 93–523 ; 88 Стат. 1660 ; 42 USC § 300f et seq. 1974-12-16.
- ^ «Приоритетная ответственность за обеспечение систем общественного водоснабжения» . Требования к питьевой воде для государственных и общественных систем водоснабжения . Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды США (EPA). 2016-11-02.
- ^ Понимание Закона о безопасной питьевой воде (Отчет). EPA. Июнь 2004 г. EPA 816-F-04-030.
- ^ «Национальные правила первичной питьевой воды» . Грунтовые воды и питьевая вода . EPA. 2019-09-17.
- ^ «Основная информация о CCL и нормативном определении» . Список кандидатов на загрязняющие вещества . EPA. 2019-07-19.
- ^ «Государственный оборотный фонд питьевой воды» . EPA. 2019-10-30.
- ^ «Наши обязанности» . О нас . Лондон: Ofwat (Управление по регулированию водоснабжения) . Проверено 23 октября 2020 .
- ^ «Что мы делаем» . О нас . Лондон: Инспекция питьевой воды. 2020-06-15.
- ^ «Правила водоснабжения (качества воды) 2016» . Законодательные инструменты Великобритании . Лондон: Национальный архив, Великобритания . Проверено 23 октября 2020 .
- ^ «Закон о водном хозяйстве 1991 года» . Общие законы Великобритании . Лондон: Национальный архив, Великобритания . Проверено 23 октября 2020 .
- ^ «Регулятор качества воды заявляет, что качество водопроводной воды в Шотландии остается высоким» . Новости . Эдинбург: Правительство Шотландии. 2019-08-05.
- ^ «Обязанности инспекции питьевой воды» . Белфаст: Агентство окружающей среды Северной Ирландии . Проверено 23 октября 2020 .
- ^ «Правила водоснабжения (качества воды) (Северная Ирландия) 2017» . Уставные правила Северной Ирландии . Лондон: Национальный архив, Великобритания . Проверено 23 октября 2020 .
дальнейшее чтение
- Eaton, Andrew D .; Фрэнсон, Мэри Энн Х. (2005). Стандартные методы исследования воды и сточных вод (21 изд.). Американская ассоциация общественного здравоохранения. ISBN 978-0-87553-047-5.
Внешние ссылки
- Международная водная ассоциация Профессиональная / исследовательская организация
- NSF International - Независимая некоммерческая организация по стандартизации
- WHO.int , Рекомендации ВОЗ
- Веб-сайт «Безопасная и устойчивая вода для Гаити», обслуживаемый Государственным университетом Гранд-Вэлли