1.7: Водоочисні споруди та операції

Водопідготовка є одним з найбільш критичних етапів у процесі питної води. Дуже важливо видалити небажані частинки, інактивувати шкідливі організми та лікувати до рівня, який відповідає Закону про безпечну питну воду (SDWA). Більшість води, що обробляється на очисних спорудах питної води, надходить із джерел поверхневого постачання. Коли сніг тане і опади рухаються вздовж поверхні землі в річки, струмки та озера, частинки підхоплюються по дорозі. Тому всі поверхневі води, які будуть використовуватися для побутових потреб питної води, повинні бути оброблені. Поверхневі води також більш сприйнятливі до забруднення, оскільки значна частина цього забруднення надходить від «стоку». Кожен раз, коли йде дощ або як тане сніг, вода змивається з гір, схилів пагорбів, доріг та інших районів, підбираючи що-небудь по дорозі. Наприклад, уявіть ферму поруч із струмком, яка живить місцеве озеро, яке використовується як резервуар для зберігання питної води. Існує потенціал, щоб тваринні відходи, серед іншого, пробираються до резервуара для зберігання. Просто осад з схилу озера та природна органічна речовина в озері робить воду непридатною для пиття. Тому існують норми в Законі про безпечну питну воду під назвою Правило очищення поверхневих вод (SWTR), який конкретно стосується вимог до обробки поверхневих вод. Було проведено кілька ітерацій цього правила для поліпшення якості питної води. SWTR створений для запобігання захворювань, що передаються через воду, спричинених мікроорганізмами. Правило вимагає, щоб водні системи фільтрували та дезінфікували воду з поверхневих джерел води, щоб зменшити виникнення небезпечних рівнів захворювань, що викликають мікроби.

Однією з основних складових SWTR вимагає лікування та контролю є каламутність. Помутніння - це помутніння або туманність, помічена у зразках води і перешкоджає роботі систем фільтрації. Низькі вимоги до каламутності використовуються для захисту від певних мікробних забруднень, зокрема Cryptosporidium. Cryptosporidium - найпростіший, який може викликати шлунково-кишкові захворювання у людини, які схожі на багато мікроорганізми, що викликають захворювання. Чим нижче рівень каламутності, тим менше ймовірність появи мікроорганізмів, що викликають захворювання. SWTR також вимагає дезінфекції для захисту від цих хвороботворних мікроорганізмів. Хімічні речовини для дезінфекції, такі як хлор, використовуються для інактивації (знищення) патогенів під час процесу обробки через необхідний залишок, присутній у воді по всій системі розподілу.

Поверхневі води також доводиться обробляти для естетичних якостей. Естетична якість зазвичай не впливає на здоров'я населення. Ці види якостей зазвичай пов'язані з зовнішнім виглядом і смаковими якостями води. Вода має гарний смак, добре виглядає і добре пахне? Смак, запах і колір - це три якості, якість поверхневої води обробляється для поліпшення.

Частинки у воді

Частинки у воді можуть бути розбиті на три (3) загальні категорії: зважені тверді речовини, колоїдні сполуки та розчинені тверді речовини. Мікроорганізми потрапляють під категорію колоїдних з'єднань. Однією з головних цілей станції очищення поверхневих вод є запобігання спалаху хвороби від мікроорганізмів. Ці хвороботворні агенти відносять до хвороботворних мікроорганізмів. Три основні категорії збудників виділяють як бактерії, віруси та найпростіші. У якості питної води ці організми спеціально не аналізуються в зразках. Специфічні організми, віруси та найпростіші можуть бути дуже дорогими і вимагають великих методів відбору проб. Деякі з найбільш поширених збудників, які можна знайти у воді, є:

• Бактерії - кишкова паличка (кишкова паличка) та холера Вібріон
• Віруси - ентеровірус та коронавірус
• Найпростіші — Cryptosporidium parvum і лямблії лямблій

Замість того, щоб аналізувати для цих організмів спеціально, клас організмів, які називаються загальними коліформами (TC), використовується аналізований замість цього. ТК іменується в сукупності як індикаторні організми. Наявність або відсутність бактерій ТК свідчить про наявність або відсутність хвороботворних мікроорганізмів. Аналітичний тест простий, недорогий і дуже ефективний. Мікроорганізми - це один клас «частинок», видалених або інактивованих з води. Мікроорганізми важко видалити з води, тому вони зазвичай знищуються або інактивуються в процесі обробки.

На відміну від колоїдних сполук, зважені тверді речовини легше видаляються. Значна частина підвішеного матеріалу, знайденого в поверхневих водах, називається каламутністю. Ця каламутність походить від гниючого рослинного матеріалу та ґрунту, коли вода проходить через землю і пробирається до струмків та озер. Хоча зважені тверді речовини, як правило, не пов'язані з хворобою, вони можуть захистити мікроорганізми від процесів обробки та забезпечити загальну низьку якість водопостачання.

Розчинені сполуки найскладніше видалити, оскільки вони розчинені у воді. Подумайте про цукор або сіль, змішані в склянці води. Після того, як він розчиняється і змішується у воді, необхідний процес очищення, щоб видалити його з води. Ці процеси очищення є більш складними, ніж стандартні очисні споруди питної води. Існують різні процеси, включаючи такі речі, як іонний обмін, мембранна фільтрація, хімічне поглинання та інші. Якщо розчинені сполуки не становлять загрози здоров'ю або якщо вони нижче відповідного максимального рівня забруднення (MCL), вони зазвичай не обробляються в процесі очищення питної води.

Попереднє зберігання

Перед входом на очисні споруди питної води вода зазвичай утримується у великих резервуарах для зберігання. Ці «водойми» (озера) забезпечують площу для збору великої кількості води, тому очисна споруда має постійне джерело постачання. Ці водойми також можуть дозволити деяке осідання твердих речовин і багато хто подвійний як простір для відпочинку для риболовлі, катання на човні, і водних лижах, і т.д.

Вхід на очисну споруду

Як обговорювалося в попередніх розділах, поверхнева вода, що використовується для пиття, зазвичай зберігається в надземних озерах. Ці резервуари для зберігання іноді використовуються для відпочинку, таких як риболовля, катання на човні та водні лижі. Це рекреаційне використання є важливою частиною економіки та громадського користування. Однак вони можуть додати додаткові проблеми з якістю води для водоочисних споруд. Вода, що виходить з цих резервуарів для зберігання, повинна бути вільною від великого сміття, такого як рослини, риба, сміття, деревина тощо Для того, щоб взяти воду з резервуара для зберігання та залишити більше сміття позаду є «забірні» конструкції. Структура поверхневого водозабору - це екранована конструкція, яка пропускає воду та утримує великі предмети від потрапляння на очисну споруду. Розмір екрану може змінюватися в залежності від використання резервуара для зберігання та якості сирої води. Сира вода - це термін, який використовується для ідентифікації води перед обробкою. На малюнку нижче показаний приклад.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): — Структура поверхневого водозабору.

Вода, що надходить у водозабірну конструкцію, може або перекачуватися, або може самопливом надходити на очисну споруду в залежності від місця розташування установки в порівнянні з накопичувальним резервуаром. Клапани можуть бути використані для регулювання потоку в рослину, а вода іноді зберігається в резервуарі для зберігання на місці, що веде до заводу.

Всередині водоочисної споруди

Попередня дезінфекція

Після потрапляння сирої води на очисну споруду може відбутися процес попередньої дезінфекції. Деякі рослини використовують дезінфікуючий засіб для знищення патогенів та інших мікроорганізмів до того, як вода проходить процес обробки. Це можна зробити, щоб запобігти потраплянню певних організмів в рослину і впливати на різні процеси обробки. Або це можна зробити для видалення попередників, таких як загальний органічний вуглець, щоб запобігти утворенню побічних продуктів дезінфекції. Нові очисні споруди використовуватимуть озон як дезінфікуючий засіб насамперед тому, що він є ефективним окислювачем і не залишає залишку у воді протягом усього процесу очищення.

Озон - тривалентна форма кисню. Простіше кажучи, це з'єднання трьох (3) молекул кисню (O3). Якщо ви коли-небудь відчували запах електричної іскри або удару блискавки, швидше за все, це озон, який ви відчули запах. Його необхідно використовувати в точці генерації. На відміну від хлору, який може бути перероблений на хімічному заводі (наприклад), очисна споруда з використанням озону повинна генерувати його на місці. Озон має ряд переваг перед хлором.

Озон в порівнянні з хлором

1. сильніший дезінфікуючий засіб
2. Не сприяє дезінфекції побічних продуктів
3. Вбиває більш широкий спектр організмів
4. Досягає видалення небажаних смаків і запахів
5. Реакції більш швидкі

Однак, як уже згадувалося раніше, озон не залишає дезінфікуючого залишку у воді. Це може бути гарною річчю для очисних споруд, але озон не використовується в розподільних системах, оскільки необхідний залишковий.

Звичайне лікування проти прямої фільтрації

Існує два основних типи очисних споруд питної води. Існують звичайні очисні споруди і установки прямої фільтрації. Кожен має переваги і недоліки. Про все це і піде мова в цьому тексті. Важливо пам'ятати, що цей текст є вступним текстом для дуже загального огляду галузі гідротехнічних споруд. Тому деталі кожного розглянутого процесу лікування можуть бути опущені і надаються в більш спеціалізованих курсах. Основною відмінністю звичайної водоочисної споруди від станції прямої фільтрації води є осадочний басейн. Звичайна установка для очищення питної води має відстійник, а установка прямої фільтрації не має. Отже, чому б один використовувався над іншим? Нижче наведено приклад деяких «плюсів» і «мінусів» відстійника.

Осадження басейну Плюси

• Дозволяє твердим речовинам осідати з води перед входом у процес фільтрації
• Зменшує кількість і тривалість фільтрів зворотного промивання

Осадження басейну Мінуси

• Седиментаційні басейни великі і вимагають більшої очисної споруди
• Осад на дні відстійника потрібно час від часу видаляти.

Тепер ми розглянемо інші процеси, які зазвичай зустрічаються на звичайних і прямій фільтрації питної води очисних споруд. Фотографії, надані в цьому розділі, люб'язно надані Мічиганським департаментом якості навколишнього середовища.

коагуляція

Коагуляція - це процес хімічного додавання типу «квасцов» до водопроводу для того, щоб дрібні зважені частинки «злипалися» разом, утворюючи флок. Додані хімічні речовини виробляють позитивні заряди для нейтралізації негативних зарядів на частинках. Частинки злипаються, стаючи все більшими і більшими під час цього процесу.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): — Коагуляція.

Флокуляція

Коли частинки починають склеюватися, вода потім направляється через ряд резервуарів з «веслами». Ці весла призначені для повільного змішування води, об'єднуючи частинки разом, утворюючи більші та більші частинки, які називаються «флоком». Процес змішування повинен бути досить щадним, щоб не розбити флок назад на більш дрібні частинки.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): — Флокуляція.

осідання

У звичайних очисних спорудах питної води процес осадження дозволяє силам тяжіння дозволити хлопцю «осісти» на дно басейну. Не всі зграї осядуть. Як і слід було очікувати, великі частинки осідають швидше, ніж дрібні частинки. Також чим повільніше вода рухається по басейну, тим більше частинок осіде. Вода в прямій фільтраційній установці рухається прямо з флокуляційних резервуарів до наступного етапу... фільтрації.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): — Осадження.

Фільтрація

Процес фільтрації є одним з найбільш відповідальних етапів. Фільтри зазвичай будуються в бетонних коробках і містять пісок і гравій. Іноді використовують інші фільтруючі матеріали, але багато разів достатньо піску, щоб видалити залишилися зважені частинки. Призначення гравію полягає в підтримці піску і запобіганні його виходу з фільтра. Під гравієм розташовується споруда під назвою «підводний дренаж». Мета підводного дренажу полягає в тому, щоб очистити відфільтровану воду з фільтра, підтримуючи гравій і пісок фільтруючих середовищ. Про процес зворотного промивання мова піде далі.

Пост-дезінфекція

Перед надходженням води в розподільну систему її зазвичай дезінфікують дезінфікуючим засобом на основі хлору. Газ хлору був і досі зазвичай використовується для забезпечення «вільного» залишку хлору по всій системі розподілу. Однак через ризик якості води побічними продуктами дезінфекції багато водоочисних споруд використовують «загальний» залишок хлору шляхом змішування хлору та аміаку разом. Цей процес дезінфекції називають хлорамірованіем.

Скільки потрібно дезінфікуючого засобу, перш ніж вода може бути надана клієнтам для побутового використання?

Є два «стандарти», коли мова йде про дезінфекцію. Існує максимальний залишковий рівень дезінфікуючого засобу (MRDL) та мінімальний рівень дезінфікуючого засобу, який слід забезпечити найвіддаленішим ділянкам у розподільчій системі. MRDL становить 4,0 мг/л, і цей рівень не повинен перевищуватися у воді, що надходить в розподільну систему. Типові рівні вільного (хлору) та загального хлору (хлорамінування) у воді, що виходить з очисної споруди, можуть змінюватися, але зазвичай становлять від 2,5 до 3,5 мг/л Мінімальний залишковий рівень, який слід підтримувати в найвіддаленіших районах системи розподілу, становить 0,2 мг/л Оскільки мікроорганізми мають здатність розмножуються, а «залишок» допомагає запобігти відростанню і утримує воду вільною від хвороботворних мікроорганізмів. Раніше згадані значення дозування зазвичай забезпечують достатню кількість дезінфікуючого засобу для знищення/інактивації (дезінфікуюча потреба) інших мікроорганізмів і дозволяють забезпечити постійний та мінімальний залишок у системі розподілу. Попереднє речення використовувало три (3) загальні терміни, пов'язані з дезінфекцією; дозування, попит та залишковий.

1. Дозування — це кількість доданого дезінфікуючого засобу.
2. Попит — це кількість дезінфікуючого засобу, «витраченого» дезінфекційними відновниками у воді (мікроорганізми, органічні речовини тощо)
3. Залишкова — це кількість дезінфікуючого засобу, що залишилося у водопроводі.

Тому зазвичай використовується наступна формула.

Дозування = попит+залишковий

Кількість дезінфікуючого засобу, доданого до водопроводу (дозування) за вирахуванням кількості «витраченого» (попиту) дорівнює кількості, що залишилася, яка іменується залишковою.

Зберігання

Для того, щоб очисні споруди забезпечували велику кількість води в розподільні системи, зазвичай потрібна велика кількість сховищ і забезпечується на очисних спорудах. Це «поштове» сховище може і часто коливатися від мільйонів до десятків мільйонів галонів. Тому очисні споруди вимагають великих площ землі для всього процесу обробки і зберігання.

Додаткові процеси лікування

Якщо припливна якість води, що надходить на очисну споруду або якщо водопровід виробляє розподільна система, (часто з грунтових свердловин), забруднена і не відповідає нормам питної води, то вода потребує додаткової обробки. Деякі з цих процесів включають, але не обмежуючись ними, іонний обмін, мембранну фільтрацію та зачистку повітря. Іонний обмін, наприклад, це процес видалення іонів за допомогою води з протилежними зарядженими іонами. У Water 050 та 052 ви докладніше подивіться на кожен процес та проаналізуєте переваги та проблеми, з якими може зіткнутися оператор водопідготовки.

Кар'єра в питній воді

Оскільки багато очисних споруд питної води є оптовими постачальниками води, тобто вони продають воду різним водним агентствам, ступінь кар'єрних можливостей та шляхів може бути досить великою. Вони можуть мати кар'єру, починаючи від польових техніків, робітників технічного обслуговування, операторів очисних споруд, інженерів, фахівців з водних ресурсів, а також різноманітних можливостей, пов'язаних з офісом та політикою. Наприклад, Metropolitan Water District (MWD) Каліфорнії поставок є одним з найбільших оптових постачальників води в країні. MWD забезпечує приблизно 1,7 мільярда галонів води на день і є найбільшим підрядником Державного водного проекту. На додаток до обов'язків, пов'язаних з експлуатацією водоочисної станції, MWD має розгалужену систему розподілу. Вони також мають важливе завдання забезпечення джерел постачання, щоб забезпечити завжди достатньо води для роздрібних торговців водою, які купують воду у них. Вони мають додаткові обов'язки у сферах збереження води, правових питань, зв'язків з громадськістю, людських ресурсів, фінансів, адміністрування... список продовжується і продовжується. У них працюють майже 2000 людей з робочими місцями, починаючи від робітників до вчених, інженерів тощо. Як ви можете собі уявити, намагатися перерахувати та обговорити величезну кількість можливостей для такої організації було б тривалим процесом. Для вступного курсу, подібного до цього, це було б недоцільно. Тому ми просто розглянемо менший приклад очисної станції питної води і зосередимося на кар'єрних можливостях, доступних для таких студентів, як ви.

Оператор очисних споруд

Оператори водоочисних споруд (WTPO) зазвичай працюють різні призначені зміни. Зазвичай це не типовий тип роботи «від 8 до 5». Адже очищена, безпечна питна вода повинна бути доступна клієнтам 24 години на добу, 7 днів на тиждень. Тому WTPO потрібно працювати цілодобово, щоб переконатися, що процес лікування функціонує ефективно. Нижче наведено перелік деяких найбільш поширених завдань та обов'язків WTPO.

• Переконайтеся, що очисна споруда працює
• Виконуйте біологічні, хімічні та фізичні лабораторні випробування на воді
• Інтерпретувати результати тесту
• Монітор і читати датчики, лічильники, діаграми та інші показники ефективності лікування
• Моніторинг та перевірка технологічного обладнання та приладобудування
• Внесіть коригування та вжити коригувальних заходів щодо обладнання технологічного процесу обробки
• Ведення оперативного та якісного обліку води
• Підготовка звітів
• Беріть участь у навчальних програмах

Крім того, в інші обов'язки можуть входити очищення та дезінфекція резервуарів для зберігання, промивання трубопроводів та проведення громадських екскурсій очисної споруди. Часто заводи матимуть різноманітні автоматизовані процеси, і WTPO контролюватиме ці процеси на екрані комп'ютера, вносячи коригування через систему наглядового контролю та збору даних (SCADA).

Досвід та освітня кваліфікація також залежатимуть від розміру об'єкта, але багато посад початкового рівня вимагатимуть мінімум сертифікації оператора лікування 3 класу (T3) або сертифікації оператора лікування 2 класу з можливістю отримати T3 протягом року роботи. Оскільки очисні споруди можуть також мати відповідну систему розподілу для отримання води комунальним підприємствам, які купують воду у них, також може знадобитися сертифікація оператора розподілу. Чим більше освіти і досвіду ви можете отримати завжди допоможе ваші шанси в посадці на роботу. Ступінь асоційованого або бакалавра іноді перераховується як «бажана» кваліфікація.

Працівник технічного обслуговування водоочисних споруд

Подібно до того, як система розподілу потребує обслуговування, водоочисна споруда також потребує технічного обслуговування. Насоси і мотори можуть вийти з ладу. Труби можуть протікати. Системний процес і обладнання можуть вийти з ладу, що вимагає ремонту або заміни. Тому більшість очисних споруд матимуть екіпаж технічного обслуговування у складі персоналу.

Якість води та персонал лабораторії

Багато водоочисних споруд матимуть власну лабораторію питної води для аналізу зразків протягом усього процесу очищення, забезпечуючи належну функцію та коригуючи хімічні дози. Персонал може відповідати за збір зразків та запуск аналітичного приладобудування в лабораторії. Вони також можуть нести відповідальність за написання звітів та відстеження даних про якість води для відповідності нормативним вимогам.