Книга: Вода и жизнь на Земле

Фабрики питьевой воды

Фабрики питьевой воды

Любой школьник знает, что такое водопровод и для чего он служит. Без него немыслима жизнь ни одного города, фабрики, завода. А вот когда люди начали заниматься проблемой «доставки» воды непосредственно к себе в жилища?

История водопровода насчитывает несколько тысячелетий. Еще в Древнем Египте рабы вырывали довольно глубокие колодцы, снабженные простейшими механизмами для подъема воды. Вода подавалась во дворец фараона и его придворных по глиняным, деревянным или даже металлическим (медным или свинцовым) трубам. В античном мире сооружались водопроводы длиной в несколько десятков километров. До наших дней сохранились еще акведуки, «сработанные рабами Рима». В Западной Европе лишь с XII–XIII вв. начинают появляться водопроводы в виде открытых лотков, деревянных труб или каменных подземных каналов.

На Руси водопроводные сооружения появились раньше, чем в Европе. Так, в летописях XI–XII вв. уже упоминается водопровод, построенный для «Ярославова дворища». Московские князья пили воду из р. Москвы или Неглинной, за которой надо было спускаться с высокого холма. Слуг у князей было достаточно, чтобы обеспечить себя водой, но как быть, если враг у стен города? Для этого случая в начале XIV в. по приказу Ивана Калиты проложили от реки в глубь берега, за стены Кремля, дубовую трубу и подвели воду к глубокому колодцу-тайнику, из которого уже было нетрудно достать воду бадейками.

Когда начали строить Кремль из кирпича, в башнях стали устраивать тайники-водопроводы. Тайники были построены под Свибловой башней (позднее она стала называться Водовзводной) и под Собакиной (ныне Арсенальной).

В начале XVII в. был построен новый кремлевский водопровод. Это было уже довольно сложное сооружение. Вода сначала самотеком поступала по специальной галерее в колодец (диаметром 5 м), находившийся в подвале Свибловой башни. С помощью «водяного взвода» (подъемной машины с конным приводом, построенной часовым мастером Христофором Головеем) вода подавалась в бак на башне, откуда по свинцовым трубам проводилась в «водовозную палатку» (что-то вроде регулирующего резервуара). Отсюда вода уже распределялась по дворцам, поварням, поступала в царские баки. Этой же водой поливались сады в Кремле. Но все эти водопроводы строились для княжеских или царских дворов. Население же города обеспечивалось водой с помощью водовозов и водоносов.

Потребность в воде резко возросла в начале XIX в., когда в России усилился процесс роста городов, в которых развивалась промышленность, увеличивалась численность населения. Самотечные водопроводы стоили дорого, причем зачастую их постройка была просто невозможна из-за неподходящих топографических и гидрогеологических условий. В этой связи возникла необходимость бурения большого числа артезианских скважин и использования для питья подземной воды.

В 1804 г. завершилась постройка Мытищинского водопровода. Спустя полвека, в 1861 г., начал действовать Петербургский городской водопровод. Всего в дореволюционной России водопроводы имелись в 215 городах (около 20 % из общего числа).

Ныне в каждом городе нашей страны есть водопровод.

Выполнение планов жилищно-коммунального и промышленного строительства девятой и десятой пятилеток, повышение благоустройства жилищ и населенных мест вызвали существенное увеличение потребностей в воде и соответствующее развитие систем водоснабжения. К 1977 г. общая мощность систем водоснабжения населенных мест СССР возросла за 10 лет почти вдвое и составляет 73–74 млн. м³/сут в среднем. Примерно так же увеличился и фактический отпуск воды этими системами, достигший в среднем 60 млн. м³/сут (против 32 млн. в 1967 г.). Среднее удельное водопотребление на одного жителя в сутки в 1977 г. составляло 370 л (с учетом расхода воды промышленностью, получающей воду из городских водопроводов) и около 240 л — без учета этих расходов, т. е. собственно на хозяйственно-питьевые нужды населения.

С вводом в эксплуатацию канала Днепр — Донбасс существенно улучшилось водоснабжение промышленных районов Донбасса. Построены деснянский водопровод для Киева производительностью 560 тыс. м³/сут, система водоснабжения Кишинева, рассчитанная на подачу 200 тыс. м³/сут воды из Днестра. Сооружены две мощные системы подачи воды в Баку: Куринский водопровод (3,5 м³/сут) и Джейран-батанская система (3 м³/сут). В Казахской ССР за последние годы проведены значительные работы по улучшению водоснабжения сельских населенных пунктов. Закончено строительство Ишимского и Булаевского групповых водопроводов в северных областях Казахстана. Продолжается строительство Пресновского, Беловодского и Нуринского групповых водопроводов. Это позволило обеспечить централизованным водоснабжением более 700 населенных пунктов. В 1977–1980 гг. в Казахстане построено 28 групповых водопроводов сельскохозяйственного назначения общей протяженностью более 4 тыс. км.

Строится Новосибирский групповой водопровод. Общая протяженность его сетей составит 5 тыс. км. Он заменит десятки тысяч колодцев более чем в 600 селах и поселках 16 районов Новосибирской и Омской областей. Эту сеть напоят Новосибирское водохранилище, р. Иртыш, а также Нижне-Чулимское и Карасукское месторождения подземных вод.

Значительный прирост производительности водопроводов обеспечен за счет подземных источников водоснабжения. При этом увеличено искусственное пополнение запасов подземных вод. Водозаборы с инфильтрационными бассейнами и скважинами будут построены в Калуге, Курске, Сочи, Красноводске, некоторых городах Западной Сибири, Украины, Прибалтики и в других районах.

Особенно интенсивно развивалось водоснабжение столицы нашей Родины. В год Великой Октябрьской социалистической революции в город подавалось 170 тыс. м³/сут воды. Вода шла в основном в центральную часть города, большая часть населения пользовалась водой из 140 водоразборов.

В первые годы Советской власти начались работы по восстановлению и развитию водопровода. Водопроводные сети потянулись в рабочие районы Москвы. В восточной части города в 1929–1933 гг. для обеспечения населения водой были построены узлы артезианских скважин. Тогда же для покрытия дефицита воды в западной и центральной частях Москвы было решено в самые короткие сроки увеличить мощность Рублевской водопроводной станции до 260 тыс. м³/сут, начать строительство Черепковских очистных сооружений, плотины около Рублева и создать водохранилище на р. Истре. Уже в 1935 г. эта система обеспечила ежедневную подачу в город 450 тыс. м³ воды.

Однако проблема водоснабжения города в целом еще не была решена. Важным событием, определившим перспективу Московского водопровода, явился июньский Пленум ЦК ВКП(б) 1931 г. Пленум принял решение о строительстве канала Волга — Москва с пропускной способностью 75 м³/сут и трех водопроводных станций, позволяющих довести к 1945 г. общую производительность Московского водопровода до 1,86 млн. м³/сут.

В июле 1937 г. были введены в эксплуатацию канал Волга — Москва и Восточная водопроводная станция. С пуском этих сооружений в Москве была создана надежная система водоснабжения.

От московского Северного порта до Большой Волги (128 км) тянется трасса канала им. Москвы. Это гидротехническое сооружение — самое большое в мире. Наш канал длиннее Панамского на 47, Кильского — на 29, Манчестерского — на 71 км. Построен он советскими людьми за кратчайший срок — 4 года и 8 месяцев, в то время как Суэцкий канал сооружался 10, а Панамский — свыше 30 лет. Благодаря каналу, волжские воды подняли уровень р. Москвы и улучшили ее санитарное состояние.

Канал соединил многоводную Волгу с Москвой и сделал ее портом пяти морей: Белого, Балтийского, Азовского, Черного, Каспийского. История водотранспортного строительства не знает другого примера превращения города, стоявшего на мелководной реке, в порт пяти морей. За 40 лет по голубой артерии прошло 3,5 млн. судов, в своих трюмах они перевезли 300 млн. т грузов; насосные станции перекачали 54 млрд. м³ воды.

В 1935 г. был принят Генеральный план реконструкции столицы. Развитие всех отраслей городского хозяйства было поставлено на прочную основу. Частью первого генплана Москвы стал план развития системы водоснабжения.

Дальнейшее развитие водопроводно-канализационного хозяйства Москвы прервала Великая Отечественная война. В военные годы Московский водопровод надежно обеспечивал население и промышленность водой. За бесперебойное водоснабжение столицы и оборонной промышленности в военное время Рублевская водопроводная станция награждена орденом Ленина, Восточная станция — орденом Отечественной войны I степени; 12 работников Московского водопровода получили ордена и медали.

Послевоенные годы для Московского водопровода стали периодом бурного развития: были созданы новые мощные источники, построены крупные водопроводные станции, в несколько раз увеличилась протяженность сетей и магистралей. Неуклонно возрастал технический уровень Московского водопровода.

В 1952 г. вступила в строй одна из крупнейших станций города — Северная. В последующие годы Восточная и Северная водопроводные станции за счет реконструкции и расширения очистных сооружений, насосных станций, совершенствования технологии, модернизации оборудования и строительства новых водоводов значительно увеличили свою производительность. Уже в середине 60-х годов Восточная и Северная станции подавали в город 2,2 млн. м³/сут воды.

В эти же годы происходит интенсивное развитие системы водохранилищ Москворецкого источника. Построены Можайское, Рузское и Озернинское водохранилища общей емкостью более 600 млн. м³. Создание новых водохранилищ позволило в 1964 г. открыть еще одну водопроводную станцию — Западную, значительно улучшившую водоснабжение южной и юго-западной частей города. В этот же период второе рождение получила первая Московская водопроводная станция — Рублевская. Одновременно шло интенсивное развитие водопроводных сетей и магистралей в городе, протяженность которых в настоящее время составляет более 6400 км.

Производительность Московского водопровода за 60 лет возросла в 30 раз и достигла в 1977 г. более 5,1 млн. м³/сут.

В том же году пущен в эксплуатацию новый блок очистных сооружений Северной водопроводной станции производительностью 600 тыс. м³/сут и на 170 тыс. м³/сут увеличена производительность Рублевской и Западной водопроводных станций.

Спустя год завершилось строительство первой очереди Ново-Западной водопроводной станции Москвы (около 400 тыс. м³/сут), расположенной неподалеку от Киевского шоссе, рядом с совхозом «Московский». Более сорока гектаров отведено для создания комплекса очистных сооружений, складов, водозаборов, трубопроводов — всего сложного хозяйства, которое призвано стать новым питьевым источником города. В Генеральном плане развития столицы Ново-Западная станция наряду с уже действующими Рублевской, Восточной, Северной занимает ключевое место в системе городского водоснабжения. Ее проект предусматривает подачу 800 тыс. м³/сут воды в новые жилые районы: Орехово-Борисово, Ясенево, Бирюлево, Чертаново, Зюзино. Пока эти районы снабжает старая, Западная водопроводная станция.

Впервые в отечественном гидростроении на Ново-Западной станции сооружены трехъярусные отстойники. Три резервуара-отстойника, где проводится одна из основных операций по очистке воды, размещены один над другим, как этажи. Это значительно сократило площади, необходимые для размещения сооружений. Новые конструктивные разработки применены на трубопроводах. Весьма эффектны корпуса Ново-Западной станции. Бело-голубые здания ее отстойников, смесителей, фильтров, насосных легки и нарядны. Внутри станции светлые, просторные залы управления. В настоящее время сооружается вторая очередь Ново-Западной, а готовые корпуса станции уже соединили с р. Москвой две нитки 17-километрового трубопровода. По этим трубам (диаметр каждой 1,5 м) речная вода, прежде чем добраться до сооружений станции, пройдет несколько стадий тщательной обработки, а затем уже чистым питьевым потоком направится в город.

Москва получает питьевую воду из 12 подмосковных хранилищ. Половина их расположена в системе канала им. Москвы, другая — в верховьях р. Москвы.

Суммарное водопотребление промышленных и жилых районов столицы составляет 5,1 млн. м³/сут. Из этого расхода 60 % покрывается за счет собственных водных ресурсов, т. е. рек, озер и водохранилищ, которые находятся па территории области, остальные 40 % пополняются за счет бассейна р. Волги и недавно введенной в эксплуатацию Вазузской гидротехнической системы. Расчеты показывают, что в перспективе водопотребление Москвы и Московской области значительно возрастет, а к 2000 г. почти удвоится.

На очереди создание еще одной системы — Ржевской. Новый гидротехнический узел обводнит преимущественно северные и северо-восточные районы области. В перспективе предусмотрено создание крупного Юхновского водохранилища, которое будет питать южную систему каналов и искусственных озер. Строительство части этой системы уже началось: сейчас ведутся гидротехнические работы на будущих Подольском и Верхне-Пахринском водохранилищах. Огромное значение имеет переброс южных вод из р. Оки и регулирование стока Верхне-Угринского района водосбора. Реорганизация водной системы совместно с современными методами санитарной охраны позволит не только обеспечить бесперебойную подачу воды населению, но и улучшить отдых трудящихся в живописных местах Подмосковья.

Чтобы напоить город водой, ее днем и ночью перерабатывают водопроводные станции. Сотни людей, тысячи механизмов трудятся над тем, чтобы город ни минуты не испытывал недостатка воды, которая горожанину дается удивительно легко — достаточно лишь повернуть ручку водопроводного крана. Не все представляют себе, какой долгий и сложный путь от плесов реки до городских квартир проходит вода, прежде чем станет чистой, питьевой.

Очистка воды начинается еще в водоеме. Иногда русло реки используют как естественный фильтр для очистки воды, поступающей в систему городского водопровода. Как известно, пласты песка и гравия обладают прекрасной фильтрующей способностью. На берегу закладывают глубокую шахту. В ней устанавливают мощные гидравлические домкраты, с помощью которых пронизывают специальными стальными трубами речное дно. Образуется так называемый лучевой водозабор.

Вода из поверхностного источника (реки и озера) через водозабор поступает в водоприемное сооружение — камеру с решетками и сетками, которые задерживают крупные загрязнения. Насосы, установленные в насосной станции первого подъема, забирают ее из водоприемника и подают на станцию очистки.

Поднятая насосами из речного водоприемника вода направляется в отстойники — огромные подземные сооружения. Она движется в них с очень малой скоростью, при этом песчинки и частицы глины оседают на дно. Но далеко не все загрязнения остаются в отстойниках. Самые мелкие частицы уходят вместе с водой.

Для их удаления построены медленные, или, как их раньше называли, английские фильтры. В этих сооружениях вода фильтруется через слой песка вниз очень медленно, со скоростью 5—10 см/ч. На поверхности фильтрующего слоя в процессе фильтрации образуется так называемая биологическая пленка (тонкая пленка из мелких водных организмов, растений и бактерий). Она задерживает самую мелкую взвесь и даже бактерии, находящиеся в воде. Значит, медленные фильтры не только делают воду прозрачной, но и частично дезинфицируют ее. Часть взвешенных частиц задерживается и в толще песка. Медленные фильтры дают воду высокой прозрачности и задерживают до 99 % микроорганизмов. Применяются они главным образом на малых водопроводах, не требуют никаких реагентов и просты в эксплуатации. Недостаток медленной фильтрации — большие размеры фильтров, что увеличивает их строительную стоимость, и несовершенный способ очистки от задержанной взвеси (снятие 1–2 см фильтрующего слоя через один-два месяца). Поэтому медленные фильтры в настоящее время, как правило, на городских водопроводах не строятся.

При фильтрации воды на скорых фильтрах проводят предварительную (до поступления в отстойники) химическую обработку воды — коагуляцию. Наиболее употребительным химическим реагентом для коагуляции служит сернокислый алюминий — продукт обработки белой глины (каолина) серной кислотой. Он представляет собой комья грязновато-белого цвета. Раствор коагулянта вводится в очищаемую воду автоматом в строго определенной дозе в смесителе — большом железобетонном подземном сооружении. В воде происходит химическая реакция, в результате которой взвешенные частицы укрупняются, слипаются, образуя крупные хлопья.

Из смесителя вода поступает в отстойники, где начинают образовываться, или, как принято говорить, созревать, хлопья. Хлопья все время перемещаются: то медленно уходят в сторону, то опускаются вниз, то опять поднимаются вверх. Оседая, хлопья захватывают и увлекают за собой мельчайшую взвесь. Во время отстаивания вода освобождается от взвеси, повышается ее прозрачность, снижается цветность; на дне отстойника образуется толстый слой ила.

Отстойники бывают горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные представляют собой длинные прямоугольные железобетонные бассейны, в которых вода движется в горизонтальном направлении. Вертикальные отстойники — это большие цилиндрические резервуары из железобетона с коническим дном и центральной трубой. Вода в них опускается по центральной трубе, а затем медленно поднимается снизу вверх по всему кольцевому течению отстойника и переливается по периметру через желоба уже осветленной. Выпавшая взвесь собирается на дне отстойника, и ее регулярно удаляют.

После отстойников вода поступает на фильтры, где освобождается от оставшихся мельчайших, не осевших в отстойнике хлопьев и частичек мути. Фильтрация воды осуществляется на фильтрах разных систем, представляющих собой резервуары, заполненные зернистым материалом. Фильтрация еще более улучшает качество воды: в порах песка задерживаются остатки взвешенных частиц, вода интенсивнее освобождается и от микроорганизмов. Пройдя отстойники и фильтры, вода становится прозрачной, но для питья она не годится. Очистные сооружения задерживают 99 % бактерий, содержащихся в воде источника.

Подземную питьевую воду приходится очищать также от примесей железа.

Станция обезжелезивания воды имеет сложное оборудование. Мощные насосы из скважины поднимают воду на поверхность и подают на контактную вентиляторную градирню емкостью до 80 м³. С помощью так называемых колец Рашига здесь происходит процесс аэрации, т. е. удаление из воды углекислоты и насыщение ее кислородом. В контактном резервуаре идет процесс окисления железа. Отсюда вода поступает на безнапорные фильтры, в которых железо, содержащееся в воде, полностью задерживается.

Важным этапом обработки воды является обеззараживание, уничтожение болезнетворных микроорганизмов. Обеззараживание воды на водопроводных станциях производят с помощью хлорирования, озонирования или ультрафиолетовых лучей.

Наиболее, распространенный метод — хлорирование. Разработан электролитический способ получения хлора непосредственно на водопроводных станциях путем электролиза поваренной соли. Это позволяет избежать трудностей, связанных с транспортировкой и хранением больших количеств жидкого хлора.

Сущность обеззараживающего действия хлора заключается в угнетении обмена веществ, окисления веществ, входящих в состав протоплазмы клеток бактерий, в результате чего последние гибнут.

На водопроводные станции хлор поступает, как правило, в металлических баллонах в сжиженном состояний под давлением. Стандартные баллоны содержат 25–40 и 100 кг жидкого хлора. Хлор можно вводить в виде газа или хлорной воды. На водопроводных станциях хлор обычно добавляют в виде хлорной воды, чтобы уменьшить коррозионное действие хлора на трубы вблизи места его введения. Дозируют хлор специальные газодозаторы, называемые хлораторами.

В соответствии с планом Московский машиностроительный завод «Коммунальник» при Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова освоил выпуск агрегатов для приготовления гипохлорита натрия — вещества, широко применяемого для обеззараживания и очистки воды. В отличие от жидкого хлора гипохлорит натрия несложно хранить, он прост в обращении, и производство его обходится гораздо дешевле. Гипохлорит натрия можно получать из раствора поваренной соли путем электролиза. Отсюда и название агрегата — электролизер.

Электролизер нового типа способен за сутки вырабатывать 25 кг активного хлора. Это значительно больше, чем давали аналогичные установки старого образца. Кроме того, принцип устройства позволяет также использовать его для непроточных водоемов: устанавливать в бассейнах, цехах, имеющих гальванические ванны, на животноводческих фермах, птицефабриках, предприятиях мясомолочной промышленности.

На небольших водопроводах для хлорирования используют хлорную известь. Об эффективном обеззараживании свидетельствует концентрация остаточного свободного хлора в воде не менее 0,3 мг/л и не более 0,5 мг/л при контакте не менее 30 мин.

В поисках более удобного способа обеззараживания питьевой воды ученые уже давно обратили внимание на озон — газ, который, как и хлор, является сильнейшим окислителем, а следовательно, и сильнейшим обеззараживающим средством. Микроорганизмы под его воздействием быстро гибнут. Это свойство не теряется и при растворении газа: достаточно ничтожной доли озона, чтобы все бактерии в воде были уничтожены. А раз так, нельзя ли применить озон для дезинфекции питьевой воды и может ли он конкурировать с хлором, когда речь идет о чистоте питьевой воды?

Оказалось, что может, и очень успешно. Микробиологи исследовали один из самых опасных вирусов — вирус полиомиелита. Выяснилось, что этот вирус погибает уже через 2 мин, если в 1 л воды растворить 0,5 мг озона. Доза ничтожная! А хлор справляется с этим весьма жизнестойким микробом только за 3 часа. Если же увеличить концентрацию озона, то абсолютно все виды бактерий погибают в течение минуты.

Но уничтожить микроорганизмы мало. Надо, чтобы питьевая вода была светлой и прозрачной. Озон обесцвечивает воду в 15–30 раз быстрее, чем хлор. К тому же озона требуется в несколько раз меньше. Попутно выяснилась и еще одна способность озона: он придает воде отчетливый голубой оттенок. Хлор и здесь явно проигрывает. Он окрашивает воду в не совсем приятный зеленовато-желтый цвет. Озон уничтожает также все запахи и привкусы речной воды.

Небольшие озонаторные установки испытывались в Донбассе, Ярославле, Челябинске и Горьком.

В Москве на Восточной водопроводной станции введена в строй первая очередь крупнейшей в мире озонаторной установки. Она способна очищать за сутки 1,2 млн. м³ питьевой воды. Восточная водопроводная станция обрабатывает волжскую воду, отличающуюся малой мутностью, относительно высокой цветностью, периодически возникающими запахами и привкусами высокой интенсивности. Как показали длительные исследования, выполненные в лабораторных и полупроизводственных условиях, присущие волжской воде; физико-химические, бактериологические и органолептические свойства могут быть с наибольшей эффективностью доведены до требуемых значений путем обработки воды озоном. Все это и послужило основанием для сооружения первой в нашей стране крупной озонаторной установки.

Озонаторная установка разместилась в трех зданиях. В одном из них находятся компрессоры, которые забирают из атмосферы около 10 тыс. м³ воздуха. Он очищается от пыли, охлаждается и избавляется от влаги, затем по трубам поступает на верхний этаж, где в просторном зале в два ряда стоят 18 озонаторов.

Эти аппараты из нержавеющей стали по форме напоминают цистерны. В них под воздействием электрических зарядов высокого напряжения вырабатывается озон. В час они дают 200 кг озона, который в смеси с воздухом идет на обработку воды.

При принятой технологической схеме вода обрабатывается озоном перед очистными сооружениями и обеззараживается после фильтров. В первом случае доза составляет 3 мг/л, во втором — 1 мг/л. Поэтому установка состоит из первичного и вторичного блоков. Общая производительность всей установки составляет 200 кг/ч озона, в том числе 150 кг/ч — для первичного озонирования и50 кг/ч — для вторичного. Производительность одного озонатора достаточно велика — 8,3 кг/ч.

Первичное озонирование происходит следующим образом. Вода, поступающая на обработку из водоемов первого подъема через распределительную камеру, направляется в смесительные бассейны. Озоно-воздушная смесь проходит через отверстия в пористых трубах и в виде мелких пузырьков поднимается вверх по всей площади бассейна, через 4-метровый слой воды. При этом в течение 10–12 мин озон находится в контакте с водой. Обработанная озоном вода теряет желтый цвет, неприятный вкус и запах. Затем она возвращается в распределительные камеры и по трубам идет уже в обычные очистные сооружения, где отстаивается и фильтруется.

Смесительные бассейны блока вторичного озонироваиия (всего их шесть) разделены поперечными струенаправляющими перегородками на три отсека. Во время обработки часть озона входит в контакт с водой и скапливается над ее поверхностью, под перекрытием этих бассейнов.

Озонаторная установка отличается высоким уровнем автоматизации. Автоматика контролирует содержание озона в воде и воздухе на всех этапах получения, транспортирования и обработки воды.

Жители Куйбышевского, Бауманского, Первомайского, Сокольнического, Волгоградского, Ждановского, Перовского, Пролетарского районов Москвы по достоинству оценили качество обработанной озоном воды. Эта вода не уступает по своим качествам ключевой.

Ультрафиолетовое, излучение, используемое на водопроводных станциях для обеззараживания воды, весьма эффективно и перспективно в связи с разработкой новых мощных источников излучения. При использовании ультрафиолетовых лучей в воду не вводятся посторонние вещества, не изменяются ее физико-химические и органолептические свойства. Установки для обеззараживания воды компактны, сравнительно просты в эксплуатации и легко могут быть автоматизированы. Для этого вида обеззараживания не требуются контактные емкости. Однако обеззараживать ультрафиолетовым излучением можно только воду, обладающую малой цветностью и не содержащую коллоидных и взвешенных веществ, которые поглощают и рассеивают ультрафиолетовые лучи. Эффект обеззараживания основан на прямом губительном воздействии ультрафиолетовых лучей на белковые коллоиды и ферменты протоплазмы микробных клеток. Ультрафиолетовое излучение может воздействовать не только на обычные бактерии, но и на споровые организмы и вирусы.

Московская вода по вкусовым качествам считается одной из лучших в мире.

За качеством воды установлен строгий контроль. Ее тщательно проверяют и в месте природного источника, и в процессе обработки, и перед поступлением в водопроводную сеть. Прежде чем подать воду в наш дом, ее отстаивают и фильтруют, обеззараживают, если надо, умягчают, осветляют, избавляют от запахов.

С ростом населения потребность в питьевой воде в различных странах мира резко возрастает. Ученые разрабатывают методы получения пресной воды из морской или из солоноватой воды.

В мире уже; эксплуатируется более 800 опреснителей, которые ежесуточно вырабатывают 1,7 млн. м³ пресной воды, 90 % которой расходуется на питьевые нужды. В нашей стране опресненной водой снабжается г. Шевченко с населением около 80 тыс., расположенный на п-ове Мангышлак, который таит в своих недрах природные ресурсы, но не имеет источников пресной воды. Город вырос на берегу Каспия на краю безводной пустыни. После изучения и проработки различных вариантов водоснабжения полуострова наиболее целесообразным и экономичным был признан вариант опреснения воды из Каспийского моря.

Город Шевченко — это единственный в стране и один из немногих крупных городов мира, который полностью живет на опресненной воде. Город еще очень молод, хотя и стал областным центром. При его проектировании и строительстве использовано все лучшее и передовое. Шевченко не только застроен великолепными современными многоэтажными зданиями, но имеет продуманную и совершенную систему водоснабжения. В городе проложены три водопроводные линии. По первой подается только питьевая вода, по второй — менее качественная техническая вода для ванных комнат и полива зеленых насаждений, по третьей — морская вода для канализации. Благодаря такой разумной и экономной системе водоснабжения каждый житель Шевченко расходует столько же воды, сколько жители таких крупных городов, как Москва, Ленинград и Киев.

Опресненная дистилляцией вода имеет неприятный привкус и запах; в ней почти полностью отсутствуют важные в гигиеническом отношении ингредиенты — кальций, фтор, бикарбонаты и др. Длительное употребление такой воды может вызвать неблагоприятные изменения в организме человека. Кроме того, дистиллят обладает агрессивными свойствами по отношению к конструкционным материалам, и при транспортировании по стальным трубопроводам загрязняется продуктами коррозии. Поэтому на станции приготовления питьевой воды дистиллят подвергают обработке до уровня, соответствующего требованиям стандарта на питьевую воду.

В 1970 г. в Шевченко введена в эксплуатацию первая промышленная станция приготовления питьевой воды производительностью 30 тыс. м³/сут. На станцию поступает охлажденный дистиллят. Здесь его хлорируют. Артезианскую соленую воду очищают от железа и сероводорода путем хлорирования и фильтрования через кварцевый песок. Дистиллят смешивают с артезианской водой в напорном смесителе. Смесь доочищают но такой схеме: дезодорация, стабилизация и обогащение кальцием, фторирование и обеззараживание. Дезодорация смеси производится на восьми загруженных углем напорных сорбционных фильтрах. При фильтровании через уголь вода освобождается от органических соединений, придающих ей привкусы и запахи. Сорбционные фильтры периодически регенерируются. Обогащение воды кальцием происходит при фильтровании ее через мраморную крошку. На станции установлено шесть напорных мраморных фильтров, диаметром 3 м каждый. Высота фильтрующего слоя — 3 м. Мраморная крошка в фильтрах периодически промывается обратным током очищенной воды. Профильтрованную воду хлорируют, фторируют, и только после этого она поступает в подземные резервуары для очищенной воды, откуда затем подается в водопроводную сеть города.

В городе много зеленых насаждений. А ведь каждое дерево выпивает 5—10 л воды в час, т. е. за год на одно дерево потребуется израсходовать 50—100 м³ поливной воды. В г. Шевченко на каждого жителя приходится почти 10 м² зеленых насаждений, что больше, чем в некоторых столицах мира (Токио, Париж, Лондон и др.), не говоря уже о г. Эль-Кувейте, также живущем на опресненной воде.

Маленькое княжество Кувейт в Персидском заливе площадью 15,5 тыс. км² славится богатыми месторождениями нефти и страдает от полного безводья. В Кувейте тонна нефти стоила намного дешевле тонны воды, привезенной из Ирака. В 1953 г. в Кувейте построен первый опреснительный завод, работающий на бесплатном попутном газе, прежде сжигавшемся в факелах на нефтепромыслах. Позже было введено в строй еще несколько опреснителей. Теперь Кувейт является крупнейшим в мире производителем опресненной воды. Построенные правительством 14 опреснительных заводов общей производительностью более 212 тыс. м³/сут полностью обеспечивают водой новый город Эль-Кувейт и все государство. В городе стала появляться зелень, но оплачивается она дорогой ценой; уход и полив каждого взрослого дерева или пальмы обходятся в 60—150 долларов в год.

Много опреснителей построено в районе Карибского моря на Малых Антильских и Багамских островах для водоснабжения населения и крупных нефтеперерабатывающих заводов. Работают опреснительные установки и во многих безводных и маловодных районах тропической зоны земного шара (Австралия, Ближний Восток, Северная Африка, Латинская Америка и др.), а в последние годы строятся уже и в увлажненной зоне — в Европе, Азии и Америке.

В окрестностях ливийской столицы вступила в строй первая очередь крупнейшего в Северной Африке теплоэнергетического комплекса. Он включает тепловую электростанцию мощностью 500 тыс. кВт и завод для опреснения морской воды производительностью 12 тыс. м³/сут. Вторая очередь комплекса действует с конца 1976 г. Введены в эксплуатацию еще два крупных электроагрегата, мощностью по 250 тыс. кВт каждый. Производительность установки по опреснению морской воды возросла почти вдвое.

Немногие суда, отправляясь в плавание, берут сейчас пресную воду. Гораздо выгоднее и удобнее получать ее непосредственно из морской воды с помощью испарительной установки, находящейся на борту корабля.

Японские ученые проводят эксперимент до промышленному опреснению морской воды. В г. Наганосу применен метод многоступенчатой дистилляции, основанный на способности воды закипать в условиях низкого атмосферного давления при температуре менее 100°. Насосы подают морскую воду на предприятие, где она проходит последовательно 50 камер, в которых давление постепенно понижается. Вода в них закипает при все более низких температурах, а образовавшийся пар конденсируется и превращается в пресную воду. С завершением строительства последней очереди этого предприятия, по расчетам специалистов, здесь будет производиться 100 тыс. т пресной воды в день.

Ученые давно искали пути использования дешевой солнечной энергии для опреснения воды. Ведь в природе этот процесс совершается с высокой эффективностью и в гигантских масштабах. Действительно, в южных районах, где солнечного тепла много, а пресной воды мало, для этого имеются благоприятные условия. Так, на широте Ашхабада сумма прямой солнечной радиации равна 1,866 Гкал/м². Этого тепла достаточно для испарения слоя воды в 3 тыс. мм.

Хотя солнечное тепло и даровое, но гелиоопреснение обходится отнюдь не дешево и требует больших капиталовложений.

В СССР разработаны различные конструкции опреснителей (парникового типа и с концентраторами энергии, стационарные и переносные), подготовлен образец опытно-промышленного солнечного опреснителя площадью 2,4 тыс. м² и производительностью 12 м³/сут.

В 1969 г. в Туркмении на отгонных пастбищах совхоза «Бахарден» на колодце Овез-Ших построена первая очередь этого опреснителя площадью 600 м², а в Каракумах — вторая очередь площадью 1,8 тыс. м². Теперь опреснитель обеспечивает водой две-три отары овец. В 1971 г. в Узбекистане сооружен еще один солнечный опреснитель парникового типа в совхозе «Шафрикан» Бухарской области. Как основной опреснитель площадью 600 м², так и опреснители по 100 м² других типов предназначены в основном для изучения и оценки технических и экономических возможностей гелиоопреснения.

Опреснить соленую воду можно также путем ее замораживания. Дело в том, что температура замерзания соленой воды ниже температуры замерзания воды пресной. При медленном охлаждении в соленой воде прежде всего образуются кристаллы пресного льда. Если полученный лед отделить от незамерзшей воды и расплавить его, то талая вода может быть вполне пригодной для питья.

Заморозить соленую воду можно при помощи природного холода или используя искусственное охлаждение. Метод естественного замораживания отличается низкой эффективностью и сезонностью работы, кроме того, может применяться только в определенной географической зоне. Поэтому замораживающий метод опреснения соленой воды разрабатывается преимущественно в расчете на искусственное охлаждение.

Первые опытные замораживающие опреснители были построены во Франции и мало чем отличались от обычных льдоделательных машин: тепло в них многократно передавалось через металлические теплообменные поверхности. Тепловая эффективность замораживающих опреснителей с теплообменом через стенку была очень низкой, поэтому расход электроэнергии в них достигал 60 кВт * ч/м³, и опресненная вода стоила дорого. Из-за низкой экономичности опреснители подобного типа не нашли практического применения.

Шведские химики успешно завершили эксперименты по опреснению морской воды. По их способу, воду смешивают с жидким бутаном, смесь быстро замерзает, и кристаллы соли легко отделяются. Затем лед растапливают в специальных цистернах для пресной воды. Бутан отделяют и используют снова. Энергетические затраты при этом методе сокращаются в 4 раза.

Опреснение соленых вод методом электродиализа основано на удалении ионов солей из раствора под действием поля постоянного электрического тока. Более 100 электродиализных опреснительных установок различного типа эксплуатируется в ряде районов Средней Азии, Казахстана, Украины, Северного Кавказа, Заволжья и т. д.

Известно, как трудно в степи с водой, особенно в знойную пору. Жажду испытывают люди, нечем напоить скот на отгонных пастбищах. Под землей же, на глубине нескольких метров, вода есть повсюду. Но, когда человек добирается до нее, его обычно ждет разочарование: вода солона и горька, пить ее невозможно. Как быть? Вот эту проблему и должны решить опреснительные установки, способные под воздействием электрического поля освободить воду от избытка солей.

Отделение ионов солей от воды можно наблюдать, если в ванну с соленой водой поместить катод и анод, соединенные с источником постоянного тока. Под действием разности потенциалов начинается перемещение ионов в соответствии со знаком их заряда, т. е. катионы передвигаются к катоду, а анионы — к аноду. При разряжении ионов на катодной пластине выделяется натрий, который мгновенно растворяется водой с образованием щелочи, и свободный водород в виде пузырьков газа. Одновременно на поверхности анодной пластины образуются кислород и хлор, и в результате взаимодействия атомарного хлора с водой — соляная кислота. Вблизи катода и анода вода становится соответственно щелочной и кислой.

Если разделить ванну ионопроницаемыми мембранами на три камеры, то соленая вода, находящаяся между мембранами, постепенно опресняется. Это происходит вследствие того, что в электродных камерах накапливаются ионы Н⁺ и ОН^-, которые участвуют в переносе электричества через центральную камеру, где они соединяются, образуя воду. Ионы же Na⁺ и Cl^-, перешедшие в электродные камеры, удаляются из них вместе с кислой и щелочной водой.

Однако вследствие диффузии происходит одновременно и беспорядочное перемещение ионов Н⁺ и ОН^-, а также ионов солей, в результате чего последние снова возвращаются из анодной и катодной камер в центральную. Для исключения процесса диффузии, необходимо, чтобы ионопроницаемые мембраны обладали селективностью, т. е. способностью пропускать ионы с зарядом одного знака. Иными словами, положительно заряженные мембраны (анионоактивные), должны пропускать только анионы, а отрицательно заряженные (катионоактивные) — только катионы.

За последнее время благодаря достижениям химии был получен многочисленный ряд селективнопроницаемых мембран, обладающих большим сопротивлением диффузии и высокой электропроводностью. К их числу относятся гомогенные (поликонденсационные, внутриполимерные, привитые, активированные), гетерогенные и пропиточные ионитовые мембраны, нашедшие широкое распространение в современных электродиализных установках. Отличаясь своими физико-химическими свойствами в соответствии со способами их получения, перечисленные мембраны изготавливаются с фиксированными ионогенными группами, электрическое поле которых создает условия для избирательной ионопроводимости, т. е. исключает возможность пропускания через мембрану ионов, одинаково заряженных с фиксированными ионами в полимерной структуре (матрице) мембраны.

Получение селективных ионопроницаемых (ионообменных) мембран определило возможность применения многокамерных электродиализаторов со многими парами катионо- и анионоактивных мембран. Такие установки представляют собой ванны, состоящие обычно из 100–200 гидравлических камер, которые могут быть соединены последовательно или параллельно с горизонтальной или вертикальной циркуляцией воды. В настоящее время распространены преимущественно электродиализные ванны фильтропрессного типа. В этих ваннах мембраны, расположенные между катодом и анодом, разделены рамками из диэлектрика. Под действием электрического поля ионы, находящиеся в растворе, приходят в упорядоченное движение. Катионы движутся в одном направлении, а анионы — в противоположном. При этом селективнопроницаемые мебраны исключают возможность обратного поступления ионов в обессоленную воду. Таким образом, из нечетных камер ни анионы, ни катионы не могут пройти в соседние камеры вследствие того, что знак их заряда совпадает со знаком соответственно катионоактивных и анионоактивных мембран. В результате концентрация солей в воде одних камер (четных) начинает падать, т. е. происходит процесс опреснения, а в нечетных, наоборот, возрастает, что приводит к образованию рассола. Полученные обессоленная вода (дилюат) и концентрированный раствор отводятся из системы.

Кроме опреснения солоноватых вод, электродиализ может помочь при повторном употреблении воды для удовлетворения увеличивающегося водопотребления в промышленно развитых районах. Каждое использование воды городом повышает количество растворенных минералов примерно на 300 мг/л, поэтому при многократном пользовании водой возникает необходимость уменьшения ее солесодержания. Электродиализ в этом случае является наиболее эффективным процессом для удаления солей из воды с таким низким солесодержанием.

К настоящему времени разработаны надежные ионоселективные мембраны, а сам метод во многом технически эффективно разрешен, что может служить хорошей рекомендацией для него.

Электродиализные установки применяются не только для водоснабжения небольших водопотребителей, но и для крупных населенных пунктов, а также для промышленных и сельскохозяйственных производств. В Советском Союзе такие установки производительностью от 50 до 500 м³/сут успешно эксплуатируются на различных железнодорожных станциях. Сооружены также крупные установки производительностью 300 м³/сут на станции Моинты и производительностью 100 м³/сут на ТЭЦ станции Актогай. Установки опресняют воду с солесодержанием 2,1 г/л.

Большое внимание уделяется исследованию и разработке нового метода опреснения воды, который в нашей стране называют гиперфильтрационным, а за рубежом — обратноосмотическим.

Суть его заключается в следующем. Если два раствора с различными концентрациями разделены полупроницаемой пленкой, менее насыщенный раствор постепенно перетечет сквозь нее к более насыщенному. Но, если в объеме с более концентрированным раствором повысить давление, все происходит наоборот: растворитель уходит в объем с меньшей концентрацией вещества. Это явление так называемого обратного осмоса, на котором основана работа установок «Роса». При опреснении соленой воды этим методом чистая вода, являющаяся растворителем, находится под давлением и отделена от раствора полупроницаемой пленкой. В идеальном случае эта пленка пропускает только молекулы воды и не пропускает молекулы солей.

В США создано устройство, опресняющее морскую воду методом обратного осмоса. Морская вода подается под большим давлением в батарею, состоящую из большого числа пластмассовых трубок. Через стенки этих трубок по закону осмоса проникает только чистая пресная вода, а все растворенные в морской воде соли задерживаются. Батарея, состоящая из тысячи трубок, дает 10 тыс. л питьевой воды в сутки.

В ряде случаев питьевую воду необходимо длительно сохранять. С этой целью наиболее целесообразно применение серебра. В этом направлении интерес представляют фундаментальные работы академика АН УССР Л. А. Кульского, долгие годы тщательно изучавшего теорию и практику применения серебра в технологии обработки воды. Наиболее эффективен электрохимический метод приготовления серебряной воды (обогащение воды серебром при помощи электролиза), впервые разработанный им в 1930 г. и широко применяющийся в последнее время во многих странах. Постоянный электрический ток пропускается через пару погруженных в воду серебряных электродов; анод растворяется, и вода обогащается серебром. Полученная таким способом серебряная вода используется для дезинфекции питьевых и минеральных вод, консервирования некоторых продуктов питания, приготовления ряда фармацевтических препаратов и в лечебных целях.

В основе принципа действия аппаратуры для получения серебряной воды в соответствии с существующими методами насыщения воды серебром лежат контактирование воды с посеребренными поверхностями или ее обогащение серебром под действием электрического тока. Электролизная аппаратура обладает рядом преимуществ, и главные — дозирование и учет вводимого серебра — производятся по расходу электроэнергии. Такие установки компактны, обеспечивают высокую производительность и большую точность дозирования. Для введения серебра в воду, как правило, используется постоянный ток небольшого напряжения (до 20 В). Изменяя силу тока и время прохождения воды через аппарат, можно получать электролитические растворы серебра любой концентрации. Количество расходуемого серебра — ничтожно (0,05— 0,25 г на 1 м³ воды). При взаимодействии с органическими веществами и другими примесями воды серебро постепенно инактивируется, но его активность сохраняется в течение длительного периода. Серебро даже в сравнительно высокой концентрации не изменяет органолептических показателей воды. Следы серебра в воде вызывают гибель вегетативных форм бактерий, задерживают развитие спор, угнетают рост синезеленых водорослей, вирусов.

Использование серебра для обеззараживания воды не только увеличивает арсенал существующих реагентов, но и является одним из наиболее эффективных методов дезинфекции и консервирования питьевой воды.

Серебро, как уже отмечалось, обладает более высоким антимикробным аффектом, чем пенициллин, биомицин и другие антибиотики, и оказывает губительное действие на антибиотикоустойчивые штаммы бактерий. Вода, содержащая всего 1 мг/л серебра, хорошо инактивирует вирусы гриппа различных штаммов. Такая вода при последующем заражении сохраняет свою бактерицидность на протяжении многих месяцев. Даже при значительно меньших концентрациях, не превышающих 0,1–0,2 мг/л, она способна убивать многие патогенные организмы, вызывающие опасные водные эпидемии. Водные растворы серебра (привозе 0,1 мг/л) являются эффективным средством при обеззараживании питьевой воды от возбудителей холеры при концентрации последних в 1 мл до 1 млн, особей.

Весьма высокая бактерицидность серебряной воды была установлена и при заражении ее многими опасными кишечными возбудителями. Электролитические растворы серебра (серебряная вода) в концентрации 0,1, 0,2 и 0,5 мг/л обладают высокими бактерицидными свойствами и рекомендованы для обеззараживания воды, инфицированной возбудителями дизентерии, брюшного тифа, парафитов и сальмонеллезов.

Ионы серебра, адсорбируясь на поверхности клетки бактерии в результате взаимодействия электростатических сил (серебро + и протоплазма —), проникают внутрь и связываются с нуклеиновым ядерным веществом, образуя нуклеинаты. Этим они нарушают жизнедеятельность бактерий. Повышение температуры воды также оказывает положительное влияние на эффективность бактерицидного действия ионов, что свидетельствует о значительной роли химических процессов в этих явлениях. В прозрачной и бесцветной воде обеззараживающий эффект достигается за час-два при концентрациях электролитического серебра 0,2–0,4 мг/л, причем высокие питьевые качества воды сохранялись в течение всего 90-дневного периода наблюдения. Результаты были безупречны, и когда повторно загрязняли воду микробами и изменяли условия ее хранения — в различных по материалу и величине емкостях, при разной температуре. Выяснилось также, что для сохранения чистой питьевой воды достаточны меньшие концентрации серебра — 0,05 мг/л.

Было установлено, что без всякого вреда для здоровья можно всю жизнь употреблять воду, концентрация серебра в которой не превышает 0,05 мг/л. Это узаконено, как уже отмечалось, Государственным стандартом качества питьевой воды. Кратковременное же использование допускает и большие концентрации серебра — 0,1–0,2 мг/л. Так, общеизвестен эксперимент, когда испытатели целый год жили в условиях, приближенных к космическому полету; они употребляли воду, содержавшую 0,1 мг/л электролитического серебра. Каких-либо неблагоприятных последствий обнаружено не было. Качество же воды оставалось неизменно высоким.

Метод консервации воды серебром отлично зарекомендовал себя на морском флоте. Сегодня на морских судах установлены сотни ионаторов.

Известно, что для пищеблоков на судах дальнего плавания вода хранится в специальных питьевых танках. Но стационарные крупногабаритные, тяжеловесные резервуары непригодны для использования на спасательных шлюпках и рыбацких лодках. Для этих целей разработана технология консервирования аварийных запасов воды ионами серебра с хранением ее в полиэтиленовых мешочках, помещенных в герметично «закатанные» банки вместимостью 465 мл. Такая вода не теряет своих вкусовых свойств в течение двух лет, причем малогабаритная банка удобна для пользования. Бактериологический анализ этой воды не выявил наличия в ней бактерий. Другая картина наблюдалась в пробе воды, взятой из обычного анкерка — деревянного бочонка, в каком исстари хранится аварийный запас в спасательных шлюпках. Всего лишь после месячного рейса жидкость была мутной, появился привкус, да и запах оказался далеко не идеальный. Поэтому запасы в бочонках приходится часто обновлять, деревянную тару подвергать специальной обработке.

Серебро оказалось прекрасным консерватором минеральной воды. В настоящее время на Московском, Киевском, Ялтинском, Добропольском, Харьковском, Тальновском, Березовском, Феодосийском, Кисловодском, Днепропетровском и других заводах безалкогольных напитков минеральную воду обеззараживают и консервируют серебром. Это позволило увеличить пропускную способность складских помещений, улучшило бактериологические показатели минеральной воды. В последнее время появились бытовые ионаторы. К ним относятся переносной ионатор ЛК-25 (модель 1966 г.) и ионатор ЛК-27 (модель 1970 г.). Последний изготавливается Сумским заводом электронных микроскопов. Применение их, несомненно, оправдывает себя, но требует строгого соблюдения правил, изложенных в инструкциях.

Санитарно-гигиеническая оценка показала высокие качества и полную стабильность исходных физико-химических и бактериальных показателей питьевой воды, консервированной с помощью серебра, а космонавты отмечали ее хороший вкус.