В тази глава е представено въведение в пречиствателните станции за питейни води с акцент върху необходимостта от вода за човешките същества и за оцеляването на живите организми. Тя подчертава, че освен защитата на нашата околна среда, ние трябва много внимателно да защитаваме и да спасяваме нашите водоизточници. В главата се обсъжда също така световния проблем за безопасни и чисти води и необходимостта от пречиствателни станции за питейни води, които осигуряват високо качество и в достатъчно количество безопасни питейни води. Тези води са от съществено значение за нашето ежедневие - за пиене и приготвяне на храна и пречиствателните станции се използват за отстраняване на частици и микроорганизми, които водят до заболявания и защита на благосъстоянието на обществото, така че доставката на чисти питейни води в околната среда, хората и живите организми е много важна. В допълнение, пречиствателните станции предоставят питейни води, които са с приятни за сетивата вкус, вид и мирис и предоставят безопасни, надеждни питейни води за общностите, които обслужват.
В главата се подчертава, че осигуряването на питейни води за населението е една от най-важните задачи на обществото; проектирането на водоснабдителни системи трябва да следва правилата на инженерните науки и има нужда от технически познания и практически опит. Водите се пречистват по различен начин в различните общности в зависимост от качеството на източника, който навлиза в пречиствателната станция.
Показано е, че Директивата за питейните води се отнася за качеството на водите, предназначени за консумация от човека. Нейната цел е да се защити здравето на хората от неблагоприятното въздействие на всяко замърсяване на водите, предназначени за консумация от човека, като се гарантира, че те са здравословни и чисти. С цел да се гарантира, че питейните води са безопасни за консумация от човека, в Директивата за питейните води се определят минималните изисквания за качество на водите и се идентифицират микробиологичните и химичните параметри, които могат да представляват риск за здравето на човека, когато концентрациите им превишават определени прагове, като анализът потвърди, че Директивата за питейните води допринася за високото качество на питейните води в целия ЕС, както се вижда от високите нива на съответствие със стандартите за качество на питейни води.
Санитарните и хигиенни практики са от жизнено важно значение за човешкото здраве и за чиста околна среда. Годишно около 5 милиона души умират от заболявания предавани чрез водата, които възникват от замърсяване на системите за питейни води с урина и фекалии на заразени животни или хора. Единственият начин за прекратяване на разпространението е да се подобрят хигиенните навици на хората и да се удовлетворят определени техни основни потребности: питейна вода, условия за миене и къпане и канализация. Могат да се наблюдават няколко вида замърсяване на водата. Различни химични съставки в питейните води могат да доведат до остри здравословни проблеми, в допълнение на случайно масивно контаминиране по време на доставка. Сред съединенията, открити във водата, които се натрупват в околната среда и в човешкото тяло, могат да се посочат: нитрати, флуориди, токсични метали (олово, кадмий, арсен, алуминий и т.н.), бромати и трихалометани, пестициди, устойчиви органични замърсители или УОЗ (ПАВ, ПХБ), метали (As, Pb, Cu), химикали, предизвикващи хормонални смущения. Трябва да се вземат под внимание и радиологичните рискове за здравето, свързани с наличието на естествено срещащи се радионуклиди. Един от най-важните рискове, свързани с непречистени води касае микробните замърсявания и предаването на заболявания чрез водата. Свързаните с водата заболявания могат да се класифицират в 4 основни категории: заболявания, предавани чрез водата; заболявания, свързани с водата за миене, воднобазирани заболявания и свързани с водата векторно-преносими заболявания. Редовната оценка на санитарния риск помага да се идентифицират тези заплахи за общественото здраве, а чрез въведените санитарни стандарти се отчитат установимите санитарни опасности, свързани с водните ресурси, включително източниците на замърсяване и техническите условия на водоснабдителните и водоразпределителните системи.
Освен заболявания, свързани с водата микроорганизмите могат да провокират биокорозия или микробно повлияна/индуцирана корозия (MИК). Това явление се предизвиква или подсилва от бактерии или други микроорганизми и е резултат от действието им върху подлежащия субстрат, който е метал или метална сплав като неръждаема стомана. Биокорозията е главна причина за електрохимичното/механичното увреждане на водоснабдителните и водоразпределителните средства. Микроорганизмите, предизвикващи МИК, включват бактерии, фунги и водорасли. Могат да бъдат представени или като отделни видове, или под формата на биофилми, съставени от синергични съобщества (консорциуми). Проблеми, свързани с МИК, се наблюдават в тръбопроводните системи, резервоарите за съхранение, охладителните кули и водните структури. Обикновено водните щети се класифицират в една от следните три категории: води от 1-ва категория – „чиста вода“; води от 2-ра категория - „сива вода“; води от 3-та категория - „черна вода“. Като цяло най-ефективните начини за предпазване на даден материал от повреди са правилният и акуратен дизайн, рутинната подходяща поддръжка и честите инспектирания на материала за дефекти и нарушения.
Водата има две тясно свързани измерения: количество и качество. Качеството на водата е важна концепция, свързана с всички аспекти на екосистемите и човешкото благосъстояние, като здравето на една общност, храната която може да се произвежда, икономическите дейности, състоянието на екосистемите и биологичното разнообразие. Качеството на водата се отнася до състоянието на водата, включително нейните химически, физически и биологични характеристики. То обикновено е относително по отношение на изискванията за използването на водата за нуждите или целите на хората. Важно е да се отбележи, че различните употреби са породени от различни нужди, така че не съществува универсална мярка за добро качество на водите.
Указанията и стандартите за качеството на водите осигуряват основната научна информация относно параметрите за качеството на водите и екологосъобразните токсикологични прагови стойности, за да се защити специфичното ползване на водите. Най-често срещаните стандарти, използвани за оценка на качеството на водите са свързани със здравето на екосистемите и осигуряване на безопасна за човешкото здраве контактна и питейна вода. Наредбите за питейните води включват стандарти, свързани със здравето, които определят нивата на максимално замърсяване. Питейните води не трябва да създават риск от инфекции или да съдържта недопустими концентрации на химични вещества, опасни за здравето и трябва да бъдат естетически приемливи за потребителите. Контролът на фекалното замърсяване зависи от възможността за достъп до всеки рисков източник на вода и до прилагане на подходящо пречистване за отстраняване на идентифицираните рискове.
За да се опише и оцени качеството на водите на река, поток, езеро, подпочвени води или морска среда, са необходими параметри, които могат да бъдат измерени. Измерването на тези параметри може да бъде използвано за определяне и наблюдение на промените в качеството на водите и определяне на тяхната пригодност за здравето на природната среда и предвидената им употреба.
Физическите измервания са полезни в анализа на транспортирането и смесването на замърсителите във водна среда и могат да бъдат свързани с изискванията за местообитанията на рибите и други водни обитатели. Чрез химическите измервания се определят концентрациите на широк спектър от химикали и химичните им свойства. Чрез бактериологичен анализ се определя хигиенното качество на водата. Бактериологичното качеството на водоема е много важно, особено когато се използва за питейно-битови цели.
Всеки източник на води, който удовлетворява основни изисквания за доставка на води за обществени нужди, се нуждае от някаква форма на пречистване. Като цяло, водите предназначени за водоснабдяване:
Всички водни източници съдържат различни неорганични и органични вещества, които трябва да бъдат отстранени по време на пречистването за производството на води, които са подходящи както за битова, така и за всяка друга употреба. Процесите на пречистване (понякога наричани отделни процеси и отделни операции) се обвързат взаимно, за да формират пречиствателна станция с цел произвеждането на води с желано качество. За да се постигне тази цел се използват разнообразни процеси на пречистване, основани на различни физични и химични явления за премахване или намаляване на нежеланите съставки от водите. За производство на чисти питейни води трябва да се вземат под внимание отделните операции, които са физически, химически и механични. Физични и химични процеси са аерирането, адсорбцията, мембранните процеси, йоннообменните процеси, коагулацията и флокулацията, химическото окисление и омекотяване на водите, докато утаяването и филтрацията са механични процеси. Аерирането е отделен процес на пречистване на води с помощта на фино очистване и окисление за премахване или промяна на състава на водите. Адсорбцията е процес на пренос на фаза, който се използва за обогатяване с химически видове от течна фаза на повърхността на течност или твърдо вещество за отстраняване на широка гама от допълнителни органични микрозамърсители. Мембраннте процеси се използват за обезсоляване, омекотяване и отстраняване на частици, цвят, микробни и естествени органични материали, които влошават вкуса на водите и повлияват тяхната прозрачност и за други цели. Йонообменните процеси са широко използвани за пречистване на питейни и отпадъчни води за премахване на нежелани йони от изходните води чрез прехвърлявено им към твърд материал. Коагулацията и флокулацията са процеси, които се използват за отделяне на неразтворими частици от водите, когато техните скорости на естествено утаяване са твърде бавни, за да се осигури ефективно избистряне на водите. Процесите на химично окисление включват трансфер на електрони от окисляващ реагент към химични видове, които се окисляват. Омекотяването на водите е процес на отстраняване на калций, магнезий и някои други метални катиони от твърдите води. Процесът на утаяване премахва много частици, в т.ч. мътност, причинена от глина и тиня, естествена органична материя и други примеси. Филтрирането представлява операция на разделяне на твърди вещества от течности, за да се отстранят частиците, суспендирани във водите чрез преминаването им през слой от порест материал.
По-голямата част от патогенните микроорганизми в питейните води се отстраняват чрез методите за пречистване на води, като коагулация, флокулация, утаяване и филтрация. Дезинфекцията се прилага като краен етап от пречистването за подобряване на безопасността на питейните води. Повечето европейски страни провеждат дезинфекция на питейните води от края на деветнадесети или началото на двадесети век. За целта често е използван хлор. По време на дезинфекция се убиват всички присъстващи микроорганзими, както вредните, така и безвредните. Дезинфекцията обикновено протича в резултат от разрушителния ефект върху микробната клетъчна стена или от предизвикани промени в пропускливостта на клетките, протоплазмата или ензимната активност (поради структурни промени в ензимите). Всички тези смущения на клетъчната активност водят до намаляване или прекратяване на размножаването на микроорганизмите и до тяхното елиминиране от системата. Ефективността на дезинфекцията се измерва чрез параметъра CT. Последният представлява функция на времето за контакт между дезинфектанта и микроорганизмите от концентрацията на дезинфектанта. Няколко фактора влияят на процеса на дезинфекция на водата и определянето на СТ: вида и възрастта на микроорганизмите; природата на водата; температурата. Във връзка с това Европейският съюз издава през 1998 г. директива (98/83/EО), която постановява минимални стандарти за водата, предназначена за ползване от човека. Директивата включва норми за дезинфектантите и техните вторични продукти, подобно на препоръчаните от СЗО. В документа са включени общо 48 микробиологични, химични и индикаторни параметри, които се подлагат на редовен мониторинг и тестване. През 2012 г. е въведен Регламента за биоцидите (BPR, Регламент (ЕС) 528/2012), който отменя Директивата за биоцидите (Директива 98/8/ЕО). Последният касае пускането на пазара и употребата на биоциди, които се използват за защита на хората, животните, материали или изделия срещу вредни организми, като вредители или бактерии, посредством действието на активните вещества, съдържащи се в биоцидния продукт.
В тази глава са обсъдени основни факти за водоснабдяването и е показано, че водоразпределителната система представлява мрежа от тръбопроводи, които разпределят водите към потребителите и са проектирани така, че да могат адекватно да отговарят на изискването за води за едновременно битови, търговски, промишлени и противопожарни цели. Показан е модела на разклоненатая система със задънени краища и са разгледани най-често използваните хидравлични анализи.
В главата е направен преглед на видовете тръби: основните водопроводи с голям диаметър, които осигуряват вода на цели градове; малките второстепенните линии, които осигуряват доставка за една улица или група от сгради; тръбите с малък диаметър, разположени в отделни сгради. Показано е, че в добре планираните и проектирани водоразпределителни мрежи, водите обикновено се пречистват преди разпределение и понякога хлорират с цел предотвратяване на повторно замърсяване по пътя до крайния потребител.
В материала се разяснява как да се получи вода и чрез защита на питейните води при източника, как да се сведе до минимум риска от замърсяване и да се намали нивото на пречистване, изисквано преди водите да бъдат доставени до потребителите.
Предоставена е информация за резервоарите и язовирите и тяхната употреба. Посочено е, че търсенето на вода непрекъснато се увеличава в целия свят, така че трябва да се вземат предпазни мерки, за да се предотврати загубата на вода. Освен това, с оглед на вариациите в хидроложкия цикъл, се посочва необходимостта от язовири и резервоари за съхранение на вода и след това подсигуряване на по-редовни доставки по време на недостиг.
Подборът на подходящ процес на пречистване е изключително важна стъпка в осигуряването на безопасни, надеждни и с добро качество питейни води на рентабилна цена. Изборът на метод за пречистване на водите е сложна задача. Обстоятелствата могат да бъдат различни за всяко водопречиствателно съоръжение, а вероятно и различни за всеки водоизточник в една и съща пречиствателна станция. Основната концепция за осигуряване на водоизточник с най-добро качество, което е икономически осъществимо, е важен фактор при вземането на решения за избор на водоизточник и подход на пречистване. ВиК дружествата и техните инженери трябва да имат предвид използването на алтернативни източници при оценката, свързана със строежа на нова пречиствателна станция или основно разширяване на капацитета на съществуваща вече инсталация, или когато един различен и по-скъп подход за пречистване е в процес на проучване. Дизайнът на съоръженията за пречистване ще се определя от предпроектни проучвания, като се вземат предвид всички инженерни, икономически, енергийни фактори и фактори на околната среда. Всички законни алтернативи трябва да бъдат идентифицирани и оценени чрез анализи на разходите за жизнения цикъл на съоръженията. Взаимодействието на различните процеси и ефекта му върху качеството на пречистените води трябва да се разглежда в правен и в по-широк контекст на качеството на водите. Водоизточникът може да бъде атрактивна мишена за конкуренцията. Бил той езеро, река или кладенец, отдалеченият източник може да предложи многобройни възможности за опити за замърсяване или физическа атака. Надеждността на процеса е важно съображение и в някои случаи може да бъде с ключово значение при вземането на решение, кой процес да се избере. Мястото на съоръженията може да бъде от решаващо значение при избора на процес, особено при предварително пречистване, когато на разположение са алтернативни процеси на избистряне, някои от които изискват само една малка част от пространството, необходимо за конвенционален утаителен басейн. Качеството на водоизточника трябва да е добре установено, когато се планира пречиствателна станция, така че да се вземят правилните решения относно процесите на пречистване. След като пречиствателните процеси са подбрани, разработени и пуснати в експлоатация, ВиК дружествата трябва да бъдат в състояние да ги използват успешно за постигане на желаното качество на водите. Икономическите съображения обикновено са един от ключовите фактори за избор на процес. Проблемите, свързани с околната среда обхващат широк спектър от опасения, които включват управление на остатъчните отпадъци, на частта от водоизточника, която се губи в процеса на пречистване и енергийните разходи за пречистването. Процесите на пречистване трябва да бъдат избрани така, че да се подобри стабилността на водите. В основата на избора на алтернативни процеси на пречистване лежат характеристиките на водите от водоизточника и крайните цели за качество на водите. Пречистването на повърхностни и подпочвени води може да се осъществи чрез различни процеси, в зависимост от качеството на водоизточника. За целите на анализа, въпросите които трябва да бъдат разгледани относно "SHTEFIE (S - социални, H - здравни, T - технологични, E - икономически, F - финансови, I - институционални и E - на околната среда)" критериите могат да бъдат групирани като инструмент, който да помогне в анализа на програмите за развитие. Разработват се нови подходи за позициониране и проектиране на критичните системни компоненти, включително пречиствателни станции за води, за да се намали тяхната уязвимост.
Докато пречиствателните станции осигуряват безопасна питейна вода, те неизбежно произвеждат отпадъчни продукти. В процеса на пречистване на ресурсите от питейна вода, нездравословните или нежеланите за консумация замърсители се отстраняват в пречиствателните станции. Генерираните отпадъчни продукти се наричат "отпадъци" и могат да бъдат органични и неорганични съединения в течна, твърда и газообразна форма в зависимост от качеството на водните ресурси, обема на продукция на питейна вода, ефективността на системата за пречистване на питейните води, количеството на използваните химикали за пречистване и типа на водния ресурс, обект на пречистване. Отпадъците обикновено се генерират чрез коагулация/филтрация, съоръженията за утаечно омекотяване, мембранно разделяне, йонообмен и операционни модули с гранулиран активен въглен. Обемът на отпадъците в пречиствателните станции най-вече се променя сезонно или месечно.
Най-честите замърсители, открити в отпадъците от пречиствателните станции имат потенциално въздействие върху приемащата ги околна среда; следователно, те трябва да се обработват в рамките на пречиствателните станции.
Опасното ниво на вещества в отпадъците, генерирани от процеса на пречистване на водите, обикновено зависи от обема на веществата, извлечени от водата на входа на станцията и трябва да се отчита най-ниското приемливо ниво на дадено вещество за единица пречистен обем вода. Това най-ниско ниво се определя от местни/международни закони - нормативни документи и стандарти. За съобразяване с изискванията на закона и избягване на здравословни и екологични въздействия, най-голямо значение има познаването на най-ниските приемливи нива на веществата в отпадъците от пречистването.
Възможностите за предотвратяване на замърсяването (например, чрез технологични модификации) и намаляване на отпадъците (например, чрез възстановяване на ресурсите) в пречиствателните станции са предварителните стъпки в управлението на отпадъците, което има за цел намаляване на генерирането им. Отпадъци, получени в предприятие за производство, се третират в същия завод. След пречистване, обезводнените отпадъци съобразно условията се изхвърлят съгласно действащото законодателство.
Тази глава обсъжда отношението, което народът на Холандия е формирал към и за водата. Водата и физическата безопасност са тясно свързани, но освен тази непосредствена връзка, историческият и културният опит с водата са много важни за това как холандците я пречистват, управляват, а дори и извършват нововъведения. Целта на тази глава е не само да представи историята на отношението на една конкретна страна към водата, но да определи историческата и културната рамка на управление на водите и по този начин да придаде по-широк смисъл на това какво е отношението на Холандия към и за водата. Отношението към пречистването на питейните води може да не е непосредствено очевидно, но проучването на зависимостта на Холандия от водата и на взаимозависимите фактори, които предоставят на страната достъп до безопасни питейни води днес, ще го разкрият по-надеждно.
Тази глава започва с информация за физическия контекст на Холандия и нейната география. На следващо място се описва екологичната й история, което ясно показва амбивалентното отношение на страната към нейната водна среда и как тя се занимава с това, както институционално, така и чрез модел на договаряне. Високата степен на взаимна зависимост на Холандия и околните страни за достъпността до безопасна питейна вода е обсъдена и как холандците провеждат управление на водите в съответствие с "модела полдер". Накрая се коментира съвременният иновативен процес на пречистване на водите, разработен в Холандия.
В системата за снабдяване с питейни води са включени голямо разнообразие от професионални групи (например, строителни инженери, екоинженери, инженер-химици, специалисти по планиране на градската среда и трафик и т.н.). Всички тези специалисти трябва да научат повече за структурата и поддръжката на системите за доставка на питейни води и да се научат да се справят с важни аспекти на системите за централизирани, градски, децентрализирани и селски доставки (например аспекти, свързани с разпространението и пречистването). Различните видове пречистване зависят от източника, размера и промяната на подаваните за очистка води в тази система и поради тази причина изискват специфичен подход. Иновативните образователни мерки, като мултидисциплинарни казуси, подкрепени от базирано на технологията обучение (TEL) могат да допринесат за преподаване на тази материя по един по-интегриран начин. TEL средите, в допълнение, позволят изучаването им от разстояние и в подходящо за потребителя време.
Тъй като всяка водна система се състои от няколко свързани помежду си компоненти, които са взаимозависими от качеството и количеството на водите, те не могат да се разглеждат изолирани един от друг и съвместното изследване на казуси, които демонстрират тази взаимовръзка е необходимост. Разбирането на тази взаимосвързаност е в основата на всяко управление на водната система. Всички страни на местно ниво и често пъти на транснационално ниво в тази взаимосвързана система в идеалния случай трябва да бъдат наясно със сложността и зависимостите в системата за снабдяване с питейни води, така че всички свързани с водата интереси да могат да бъдат оптимално обслужени.
Базираното на технология обучение (TEL) осигурява възможности за нови начини на обучение и сътрудничество на професионалисти, участващи в система за водоснабдяване с питейни води. Иновативни решения като безплатни образователни източници и мащабни отворени онлайн курсове (MOOCs) предлагат възможности за посрещане на нуждите и предизвикателствата в увеличаващите се глобализирани и взаимосвързани системи като международното управление на водите.
В тази глава е представен интегриран подход, основан на обучение в рамките на интердисциплинарни екипи. Интердисциплинарните екипи могат да се научат как да развиват собствени иновативни решения за предизвикателствата на доставка на питейни води, които могат да бъдат приложени към местните условия. Те могат да си сътрудничат в разработването на сценарии за симулиране и прогнозиране на изпълнението и експлоатацията на компонентите на водоснабдителните системи.
В допълнение, тази глава описва пример за това как да се прилагат синхронни и асинхронни социални медии и безплатните образователни източници (БОИ) при инженерните решения на казусите. Освен това, тя осигурява някои препратки към онлайн наличните MOOCs, включително и PURE-H2O MOOC, който е разработен въз основа на съдържанието на тази книга.
Тази глава осигурява основата за разбиране на ключовите понятия и теории, използвани в икономиката на водите. В съответствие с този подход, първо е представена икономическата гледна точка в концепцията за водите и различните им характеристики като стока. След това е разгледано търсенето и предлагането на вода, използвана за битови нужди. Уникалните характеристики на водата засягат водоснабдяването и търсенето и следователно, условията за равновесие на водния пазар. Ето защо, тази глава се фокусира върху това как търсенето и предлагането оказват ефект върху цените в икономиката на водите и като цяло, защо цените не отразяват пазарните цени. След това се описват основните въпроси, свързани с икономическата ефективност на пазара на водите.
Тази глава прави преглед на развитието на икономическите и финансовите аспекти на питейните води и пречиствателните станции за тях. Тя разглежда икономическите и финансовите процедури за питейните води. Съответно, тази глава включва стратегическо съдържание и оценка на въздействието върху околната среда на пречиствателните станции. Анализът на търсенето на пречиствателни станции за питейни води е обсъден подробно в рамките на икономическите и финансовите процедури. Той включва основните параметри на прогнозите за търсенето и как да се класифицират различните подходи за оценка на търсенето. Информацията е насочена към оценка на разходите за пречиствателна станция за питейни води, която осигурява избор на различни класификационни системи. Накрая, в главата се представя обзор на разходите за пречистване и дезинфекция при инфраструктурните услуги.
В тази глава описваме в подробности системите за пречистване на вода в страните партньори.
