7.3.Избор на пречиствателен процес, зависим от източника

В основата на избора на алтернативни процеси за пречистване лежат характеристиките на суровата вода и целите за качество на пречистената вода. Трябва да се обърне внимание на бъдещото прилагане на по-строги стандарти за качество на питейните води и към възможните промени и колебания в качеството на суровата вода. По този начин целите и задачите, както и ограниченията и пречките, определени в предходния раздел, се отразяват на избора на алтернативни процеси. Освен това, наличието на основно оборудване, постинсталационни услуги, способностите на операторите и поддържащия персонал, както и изискванията за пречистване на отпадъците и наличието и цената на химикалите във водата, всички заедно значително повлияват избора на процес за пречистване на водите, особено в отдалечените райони и развиващите се страни (Kawamura, 2000). Изборът и проектирането на процесите на пречистване на водата в дадено съоръжение са продиктувани от практичността, надеждността, гъвкавостта и цялостната икономика. Необходими са инженери с опит в проектирането на пречиствателни станции, за да се определи най-добрата система на пречистване за всеки конкретен случай и съветите им трябва да бъдат получени в ранните етапи на планиране на проекта (Technical Manual, 1985).

Границата между подземните и повърхностните води представлява ареал, особено чувствителна и критична ниша в общата среда. На тази граница, подпочвената вода, която е засегната от условията на наземната околна среда взаимодейства с повърхностната вода, която е засегната от условията на околната среда, нагоре по течението. Освен това, химичните реакции, които се извършват на мястото, където химически различна повърхностна вода среща химически различна подпочвена вода в хипореичната зона може да доведе до получаване на биогеохимична среда, която в някои случаи може да се използва като индикатор за промени в сухоземните или водните екосистеми. Разбирането на тази граница е предизвикателство, защото изисква фокусиране на много различни научни и технически дисциплини в един и същи ареал. Ползата от този подход за изучаване на взаимодействието на подпочвените и повърхностните води може да бъде идентифицирането на полезни биологични или химични показатели на нежелани или положителни промени в по-големите сухоземни и водни екосистеми (Winter et al., 1998).

Данните за качеството на повърхностните води, взети за достатъчен период от време (от 5 до 10 години), трябва да бъдат прегледани и оценени, за да се оценят физичните, химичните, микробиологичните и радиологичните характеристики на суровата вода. Оценката на риска трябва да се направи по отношение на възможното замърсяване на водоподаването от химични разливи или радиоактивни отпадъци. Освен това, трябва да бъде проучена степента на настоящето и бъдещето развитие на земята във водосборния басейн (Kawamura, 2000).

Характеристиките на суровата вода варират в широки граници, основните разлики са между повърхностните и подземните води, меката и твърдата вода и речната вода в сравнение с водата в резервоарите. Ето защо, подземните водни системи са по-разпространени, отколкото повърхностните такива, но все повече хора пият вода от повърхностни водни системи (Flynn, 2009). Ако подпочвената вода е избрана като източник за пречиствана вода, важат същите съображения, както при повърхностните води. Подземните води като източник на вода изискват допълнителни изследвания, като геоложки условия, маса на водата, усвояване на водната маса в резултат на изпомпване, проблеми свързани с проникване на морска вода и потенциално извличане на промишлени отпадъци, битови отпадъци, селскостопански химикали и торове от подземните води (Kawamura, 2000).

Поради току-що споменатите причини, анализът на данните е много важен аспект от оценката на качеството на източника на вода. Компонентите на суровата вода, чиито максимални нива на концентрация са ограничени чрез стандартите за качество на питейните води, трябва да бъдат анализирани и оценени внимателно. Пречистването на суровата вода може да бъде оценено чрез използването на лабораторни тестове и пилотни проучвания (Kawamura, 2000).

Ако има съществуваща пречиствателна станция в околностите на предложената площадка за станция, проектантите трябва да се консултират със оперативните данни на съществуващата пречиствателна станция, тъй като те ще предоставят ценна информация за пречистването на суровата вода (Kawamura, 2000).

7.3.1. Пречистване на повърхностни води

Пречистването на повърхностни води може да се осъществи чрез различни процеси, в зависимост от качеството на източника на вода. Някои примери са дадени по-долу, като се започне с конвенционалното пречистване. Всички повърхностни води изискват дезинфекция, така че независимо от процеса, избран за пречистване на повърхностните води, той трябва да включва дезинфекция (Logsdon et al., 1999).

Дезинфекция без филтрация: броят на водните системи, за които пречистването на повърхностните води се състои само от дезинфекция е една малка част от общите системи, които използват вода и вероятно ще намалява в резултат на нарастване на населението и увеличаване на трудността, свързана със собствеността или контрола на вододелите. Въпреки това, някои системи, включително и някои много големи такива, сега използват този подход за пречистване на водата.

Конвенционално пречистване: дезинфекцията е включена в конвенционалната обработка, с етап(и) на добавяне на различни дезинфектанти при различните пречиствателни станции. Конвенционалното пречистване е подходящо за източници на вода, които са понякога или винаги мътни, с мътност превишаваща 20 до 50 NTU за продължителни периоди от време. Една модерна хипотетична конвенционална филтрираща станция (Фигура 3.1) за пречистване на река Охайо (в зависимост от разположението си на реката) ще трябва да обработва вода с мътност, варираща от около 10 NTU до над 1000 NTU при наводнения. Коагулантните дози може да са в най-ниската 10 мг/л до над 100 мг/л при наводнения. В зависимост от избрания коагулант, може да е необходимо няколкократно подалкаляване. Бързото смесване ще бъде последвано от флокулация. Утаяването може да се осъществи в конвенционални дълги правоъгълни басейни, или в басейни, подпомагани от тръба или колонии от корита. Филтрацията вероятно ще включва ползване на двойна среда (антрацит над пясък). С настоящия акцент върху намаляване на образуването на страничен продукт от дезинфекцията, хлорирането вероятно ще се проведе след седиментацията или след филтрацията. Общите концентрации органичен въглерод в Охайо като цяло не са толкова високи, че да изискват извънредни мерки за контрол на TOC (Logsdon et al., 1999).

Фигура 3.1. Конвенционално пречистване на повърхностни води.

Конвенционално пречистване с предварително пречистване: някои повърхностни води носят седиментен товар толкова висок, че пречиствателните станции използват стъпка на предварително утаяване преди конвенционалното пречистване. По-рано през двадесети век се е практикувало обикновено утаяване без химично допълнение, за да се премахнат част от твърдите суспендирани частици, преди конвенционалната обработка. Сега е обичайно да се добавят някои полимери или коагуланти за подобряване на първия етап на утаяване и за намаляване на натоварването на останалата част от станцията. Независимо от факта, че конвенционалното пречистване може да обработва широк спектър от водоизточници, някои могат да бъде толкова голямо предизвикателство, че конвенционалното пречистване да изисква форма на предварителна обработка. Така например, при някои станции се използва предварителна дезинфекция с хлорамини или хлорен диоксид, за да се намали концентрацията на бактерии във водоизточника (Logsdon et al., 1999).

Процеси за водоизточници с много високо качество на водите: за изходни води, които имат много ниска полезност, ниски концентрации на ТОС и ниски стойности на оцветеност, някои от етапите на пречистване, използвани в конвенционалната пречиствателна станция може да не бъдат необходими, или други процеси на филтриране да бъдат подходящи. Пречистването на води с много високо качество може да се осъществи чрез филтруване без предварително избистряне използвайки диатомитно филтруване, бавно пясъчно филтруване или чрез директно филтруване, което елиминира етапа на утаяване от конвенционалното третиране. На Фигура 3.2 е показан схематичен процес на директно филтруване с алтернатива филтруване в редица, при което се пропуска флокулацията. За води, които не биха могли да образуват високи концентрации на DBPs при хлориране, свободният хлор е вероятен дезинфектант (Logsdon et al., 1999).

Фигура 3.2. Директно пречистване и филтриране в редица на повърхностни води.

Флотация с разтворен въздух: за резервоари и други повърхностни води със значителен цъфтеж на водорасли, филтрационните процеси без почистване на филтрите могат бързо да бъдат компрометиране от запушване на филтъра с водорасли. Процесите, подходящи за изходни води с ниска мътност, не са много успешни, когато е необходимо пречистване на вода натоварена с водорасли. Утаечните басейни, използвани в конвенционалното пречистване не са много успешни за отстраняване на водорасли, тъй като водораслите са склонни да плуват, а не да потъват. Плътността на водораслите е близка до тази на водата и когато те произвеждат кислород, водораслите могат да създават своя собствена флотация. Ето защо, флотацията с разтворен въздух (DAF) е по-подходящ процес за премахване на водорасли. При този процес коагулантните прахови частици, включително водораслите, ако присъстват, се поставя в горната част на резервоара за избистряне. В DAF, процесът на избистряне и водораслите работят в една и съща посока. Подобно на конвенционалното пречистване, DAF използва захранване с химични реагенти, бързо смесване и флокулация, но след това бистрителят DAF се подменя в утаечните басейни. Една схема на DAF процес е показана на фигура 3.3.

Фигура 3.3 Флотация с разтворен въздух/филтрационно пречистване на повърхностните води.

Водите, които имат високи концентрации на водорасли могат да имат и високи концентрации на прекурсори на дезинфекционни продукти (DBP), така предварителната дезинфекция със свободен хлор може да доведе до проблеми свързани със спазването на разпоредбите за DBP. В такива случаи може да се наложи да се прибегне да хлориране точно преди или след филтруване и използване на алтернативни дезинфектанти, като хлорамини (Logsdon et al., 1999).

Мембранна филтрация: мембранната филтрация покрива широк обхват от процеси и може да се използва за водоизточници с различни качества, в зависимост от използвания мембранен процес. Микрофилтрацията, използвана за пречистване на повърхностни води, може да премахне широк спектър от прахови частици, включително бактерии, протозои, цисти и ооцисти и частици, които причиняват мътност. Вирусите, обаче са толкова малки, че някои са склонни да преминат през микрофилтрационните мембрани. Микрофилтрацията е практична за прилагане на по-широк кръг от мътни водоизточници ,отколкото бавната пясъчна филтрация или филтрацията с диатомитна пръст (DE), но микрофилтрацията не може да се справи с високата мътност, която се срещат в много конвенционални пречиствателни станции. Микрофилтрацията не премахва разтворени вещества, така че процесът на дезинфекция, подходящ за пречистване на водата чрез този подход ще зависи от разтворения органичен въглерод (DOC) и съдържанието на прекурсори в изходната вода. Предимствата зна мембранното филтриране включват много високо отстраняване на цисти наGiardiaи ооцисти наCryptosporidium, леко автоматизиране, малки размери на мембраната на станцията и инсталационен капацитет на малки стъпки с модули, а не всички наведнъж като основно разширение, така че капиталовите разходи могат да бъдат разпределени за по-голям период от време. Процесът на провеждане на микрофилтрацията е показан на фигура 3.4 (Logsdon et al., 1999).

Фигура 3.4. Микрофилтрационно пречистване на повърхностни води.

7.3.2. Пречистване на подземни води

Много подземни води, получени от дълбоки кладенци имат много високо качество по отношение на мътност и микробиологични замърсители. Ако те не съдържат минерални съставки, нуждаещи се от пречистване, могат да бъдат подходящи за консумация след дезинфекция като единствена обработка. Минералите в подпочвените води в много случаи водят до необходимост или желание за допълнително пречистване (Logsdon et al., 1999).

Дезинфекция без липса на пречистване: някои подземни води отговарят на микробиологичните стандарти за качество и са с минерално съдържание такова, че дезинфекцията може да бъде единствената необходима обработка. В някои държави дезинфекция не се и изисква. Това може да се промени, с обнародването от USEPA на Правилото за Подземните Води. Обстоятелствата, които благоприятстват тази ситуация са, че водоносният хоризонт е без пряка връзка с повърхностните води и кладенецът е конструиран така, че водоносният хоризонт не може да бъде замърсен на място. За подземните води с високо качество най-често използваният дезинфектант е свободен хлор (Logsdon et al., 1999).

Премахване на желязо или манган или и двата метала, плюс дезинфекция: ако минералите във водоносния хоризонт включват желязо или манган, тези неорганични съставки могат да бъдат намерени в подземните води. За отстраняването на желязо и манган обикновено се използва окисление, утаяване и филтриране. На Фигура 3.5 са дадени процесите по отстраняване на желязо и манган. Наличието на органични вещества във водоизточника може да навреди на отстраняването на желязо и манган чрез окисление и филтрация. Желязото може да бъде окислено в много случаи от аерация. Обработката при рН 8 или по-високо насърчава по-бързото окисляване на желязото от аерацията, ако естествената органична материя (NOM) не присъства в значителни концентрации. За окисление на желязо и манган могат да се използват хлор, калиев перманганат, хлорен диоксид или озон. Калиевият перманганат обикновено се използва за мангана, който е по-трудно окисляем от желязото. За отстраняване на желязо и манган в повечето пречиствателни станции, особено в малките и средни системи, се използва глауконит заедно с калиев перманганат. Глауконитът може да адсорбира излишния перманганат, когато е преситен и по-късно да премахне желязото и мангана, когато перманганата е изчерпан, което позволява на операторите да постигнат ефективно пречистване без непрекъснато поддържане на дозата перманганат съответстваща на съдържанието на желязо и манган в суровата вода. Когато вместо аерация се използват химични окислители, налягането във филтрите понякога се използва за постигане на отстраняването на желязото или мангана без необходимостта от обратно изпомпване след пречистването (Logsdon et al., 1999).

Фигура 3.5. обработка на Желязо и манган, подпочвени води.

Омекотяване чрез преципитация с вар: твърдата вода съдържа прекомерни концентрации на калций и магнезий. Както подпочвените, така и повърхностни води могат да се обработват чрез преципитация с вар за отстраняване на твърдостта. Обработката включва добавяне на гасена или хидратна вар, което води до повишаване на рН в достатъчна степен, за да се утаи калция или още по-високо рН, за да се отстрани магнезия. Ако твърдостта присъства е некарбонатна, може да се изисква добавяне на сода за утаяване на калция и магнезия. При омекотяването чрез преципитация с вар не се отстраняват утайките на калциевия карбонат и магнезиевия хидроксид в утаечното корито, преди водата да се филтрира. В станциите за омекотяване се използват отделни бързи смесвания, флокулация и утаечни процеси, рециркулацията на някои от варовите утайки към етапа на бързо смесване подобрява утаяването на CaCO₃и агломерацията на утаените частици. Твърдите контактни бистрители съчетават бързото смесване, флокулацията и стъпките на утаяване в един процес, като по принцип коритата са предназначени за по-високи темпове на обработка в сравнение с дългите правоъгълни утаечни басейни. Методът за омекотяване, функциониращ в два етапа е показан на фигура 3.6. Твърдите контактни утаители са привлекателна алтернатива, особено за подпочвените води, поради възможностите за по-ниски капиталови разходи и по-малки изисквания за пространство; те се използват по-често, отколкото отделните флокулационни и утаечни единици (Logsdon et al., 1999).

Използването на твърдите контактни бистрители може да намали проблемите, свързани с отлагането на утайки и мащабирането в канали и тръби, свързващи единичните процеси. Когато магнезият се отстранява постоянно, водата има високо рН (10.6 до 11.0) и то трябва да бъде намалено. Обикновено това се осъществява чрез рекарбонизация (т.е., добавяне на въглероден диоксид). Образуваните твърди вещества в резултат на рекарбонизация могат да бъдат отстранени чрез вторично смесване, флокулация и утаечни съоръжения. В някои станции за омекотяване се добавя въглероден диоксид след вторичното утаяване, за да се стигне до по-нататъшно намаляване на рН и за стабилизиране на водата.

Макар двустепенната рекарбонизация да е по-ефективна в отстраняването и оптимизирането на твърдостта и контрола на стабилността на омекотената вода, едноетапната рекарбонизация е по-малко скъпият процес, който понякога се използва при излишък на процеса на обработка с вар. Преди омекотяването с вар понякога се използва аерация за отстраняване на въглеродния диоксид от подпочвените води, защото варта взаимодейства с въглеродния диоксид. Решението дали да се използва аерация или просто да се използва повече вар за обработката на въглеродния диоксид може да бъде подпомогнато чрез провеждане на икономически анализ на разходите за аерация спрямо разходите за допълнителна вар и производство на допълнителни утайки (Logsdon et al., 1999).

Фигура 3.6. Двустепенна обработка за омекотяване на подпочвените води с излишък на вар.

Йонообмени процеси: най-често използваната йонообменна смола за омекотяване е натриева катионообменна смола(зеолит), която обменя натрий за двувалентни йони, включително калций, магнезий и радий. Когато радият присъства заедно с калция или магнезия или и двата метала, капацитетът на смолата за отстраняване на твърдостта се изчерпва преди достигане на капацитета за отстраняване на радий, така че първо се преодолява твърдостта. След като смолата е достигнала своя капацитет за отстраняване на твърдостта, тя се промива, регенерира с разтвор на натриев хлорид и промива с вода. Етапът на регенерация връща смолата в натриева форма, така че тя може да се използва отново за омекотяване. Част от изходната вода обикновено не се подлага на омекотяване, поради факта, че заобикаля канала за омекотяване и се смесва с омекотената вода. Това осигурява калциеви йони, които подпомагат стабилизирането на третираната вода (Logsdon et al., 1999).

Анионообменните смоли се използват при техника за пречистване на вода, подобна на тази, използвана за омекотяване на вода с катионобменни смоли. Чрез този процес се отстраняват аниони като нитрати и сулфати, заедно с други съединения. Йонообменните процеси могат да бъдат използвани за омекотяване на вода и в някои случаи се използват за отстраняване на регулирани замърсители като нитрат или радий. Йонообменът е подходящ за вода с ниско съдържание на фини прахови частици, органични вещества, желязо и манган (Logsdon et al., 1999).

Ако във водата присъстват желязо и манган, предварителната обработка за отстраняване на тези неорганични вещества трябва да предшества йонния обмен. Високите концентрации на NOM замърсяват някои йонообменни смоли. Йонообменът, който обикновено се използва в по-малки станции, предлага предимства пред варово омекотяване на води с различна твърдост и висока некарбонна твърдост. Фигура 3.7 е диаграма на йонообменен процес в пречиствателна станция (Logsdon et al., 1999).

Фигура 3.7. Йонообменно омекотяване, подпочвени води.