Материал из РУВИКИ — свободной энциклопедии

История очистки воды

История очистки воды включает историю очистки как сточных вод с целью избежания загрязнения окружающей среды, так и воды для потребления[1][2].

Очистка сточных вод

[править | править код]

Первоначально самотёчные канализационные системы сбрасывали сточные воды непосредственно в поверхностные воды без очистки[3][4]. Позже города стали пытаться очищать сточные воды перед сбросом, чтобы предотвратить загрязнение воды и заболевания, передающиеся через воду. В течение полувека после 1900 года эти меры в области общественного здравоохранения позволили резко снизить заболеваемость городского населения болезнями, передающимися через воду, и стали важной составляющей увеличения продолжительности жизни, наблюдавшегося в то время[5].

Применение на сельскохозяйственных землях[править | править код]

См. также: Повторное использование сточной воды

Ранние методы очистки сточных вод предусматривали их наземное применение на сельскохозяйственных землях[3]:12. Одна из первых попыток использовать сточные воды в качестве удобрения на ферме была предпринята владельцем хлопковой фабрики Джеймсом Смитом в 1840-х годах. Он экспериментировал с системой распределения сточных вод по трубам, первоначально предложенной Джеймсом Ветчем[6], которая собирала сточные воды с его фабрики и перекачивала их на соседние фермы, и его успех с энтузиазмом поддержал Эдвин Чедвик и химик-органик Юстус фон Либих.

Идея была официально принята Комиссией по здравоохранению городов, и в течение следующих 50 лет различные схемы (известные как канализационные фермы) были опробованы различными муниципалитетами. Сначала более тяжёлые твёрдые частицы отводились в канавы, расположенные по бокам фермы, и накрывались после заполнения, но вскоре в качестве резервуаров для сточных вод стали использовать плоскодонные баки; самый ранний патент был получен Уильямом Хиггсом в 1846 году на «баки или резервуары, в которых должно собираться содержимое канализаций и стоков из городов, посёлков и деревень и животные или растительные составляющие должны содержаться, затвердевать и высушиваться…»[7]. Усовершенствование конструкции резервуаров включало в себя внедрение горизонтально-поточного резервуара в 1850-х годах и радиально-поточного резервуара в 1905 году. Эти резервуары приходилось периодически очищать от осадка вручную, пока в начале 1900-х годов не появились автоматические механические дешламаторы[8].

Химическая очистка и осаждение[править | править код]

По мере того как загрязнение водоёмов стало вызывать озабоченность, города пытались очищать сточные воды перед сбросом[3]:12–13. В конце XIX века некоторые города начали оснащать свои канализации системами химической очистки и осаждения[9]:28. В США первая станция очистки сточных вод с использованием химического осаждения была построена в Вустере, штат Массачусетс, в 1890 году[9]:29. За полвека, прошедшие с 1900 года, эти меры общественного здравоохранения позволили резко снизить заболеваемость городского населения болезнями, передающимися через воду, и стали важной причиной увеличения средней продолжительности жизни, наблюдавшегося в то время.

Запах считался большой проблемой при утилизации отходов, и для её решения сточные воды могли сливаться в аэротенк или «отстаиваться», а твёрдые частицы удалялись и утилизировались отдельно. Этот процесс сегодня называется «первичной очисткой», а осевшие твёрдые частицы — «осадком». В конце XIX века, поскольку первичная очистка не устраняла проблемы с запахами, было обнаружено, что неприятные запахи можно предотвратить путём введения кислорода в разлагающиеся сточные воды. Так было положено начало биологической аэробной и анаэробной обработке, которая является основой процессов очистки сточных вод[10].

Предшественником современного септика была выгребная яма, в которой вода была закрыта для предотвращения загрязнения, а твёрдые отходы медленно разжижались под действием анаэробов; она была изобретена Л. Х. Мурасом во Франции в 1860-х годах. Дональд Камерон, городской землемер Эксетера, запатентовал улучшенную версию в 1895 году, которую он назвал «септиком»; септик означает «бактериальный». Они до сих пор используются во всём мире, особенно в сельских районах, не подключённых к крупным канализационным системам[10].

Биологическая очистка[править | править код]

Только в конце XIX века стало возможным очищать сточные воды путём биологического разложения органических компонентов с помощью микроорганизмов и удаления загрязняющих веществ. Очистка на суше также становилась всё менее целесообразной, поскольку города росли и объём производимых сточных вод уже не мог быть поглощён сельскохозяйственными угодьями на окраинах.

Эдвард Франкленд провёл эксперименты на канализационной ферме в Кройдоне (Англия) в 1870-х годах и смог продемонстрировать, что фильтрация сточных вод через пористый гравий приводит к образованию нитрифицированных стоков (аммиак превращается в нитрат), и что фильтр остаётся незасоренным в течение длительного времени[11]. Это позволило создать революционную на тот момент возможность биологической очистки сточных вод с использованием контактного слоя для окисления отходов. В 1887 году эту концепцию перенял главный химик Лондонского городского управления по очистке сточных вод Уильям Либдин:

…по всей вероятности, истинный способ очистки сточных вод… заключается в том, чтобы сначала отделить осадок, а затем превратить его в нейтральный сток… выдержать его в течение достаточного периода времени, в течение которого он должен полностью аэрироваться, и, наконец, спустить его в поток в очищенном состоянии. Это действительно то, к чему стремятся и чего несовершенно добиваются на канализационных фермах[12].

С 1885 по 1891 год фильтры, работающие по этому принципу, были построены по всей Великобритании, и эта идея также была принята в США на Экспериментальной станции Лоуренса в Массачусетсе, где работа Франкленда была подтверждена. В 1890 году LES разработала «струйчатый фильтр», который обеспечивал гораздо более надёжную работу[13].

В начале 1890-х годов в Солфорде, Ланкашир, учёными, работавшими на Лондонский городской совет, были разработаны контактные слои. По словам Кристофера Хэмлина, это была часть концептуальной революции, которая заменила философию, рассматривавшую «очистку сточных вод как предотвращение разложения, на философию, которая пыталась облегчить биологические процессы, разрушающие сточные воды естественным образом»[14].

Контактные слои представляли собой резервуары, содержащие инертное вещество, например камни или сланец, которые максимально увеличивали площадь поверхности, доступной для роста микроорганизмов, разлагающих сточные воды. Сточные воды выдерживались в резервуаре до полного разложения, а затем отфильтровывались в грунт. Этот метод быстро получил широкое распространение, особенно в Великобритании, где он использовался в Лестере, Шеффилде, Манчестере и Лидсе. Бактериальный слой был одновременно разработан Джозефом Корбеттом, инженером городской администрации в Солфорде, и эксперименты 1905 года показали, что его метод превосходит по эффективности очистки больших объёмов сточных вод в течение более длительных периодов времени, чем при использовании контактного слоя[15].

В 1912 году Королевская комиссия по утилизации сточных вод опубликовала свой восьмой отчёт, в котором были установлены международные стандарты сброса сточных вод в реки: «стандарт 20:30», который допускал «2 части на сто тысяч» биохимической потребности в кислороде и «3 части на сто тысяч» взвешенных веществ[16].

Процесс активного ила[править | править код]

Большинство городов западного мира внедрили более эффективные системы очистки сточных вод в начале XX века, после того как в 1912 году учёные Манчестерского университета открыли процесс очистки сточных вод с помощью активного ила[17].

Лаборатория канализационного завода Дэвихулм, где в начале XX века был разработан процесс активного ила

Процесс активного ила был открыт в 1913 году в Великобритании двумя инженерами, Эдвардом Ардерном и У. Т. Локеттом[18], которые проводили исследования для Манчестерской корпорации по управлению реками на канализационном заводе Дэвихулм. В 1912 году Гилберт Фаулер, учёный из Манчестерского университета, наблюдал за экспериментами, проводившимися на Экспериментальной станции Лоуренса в Массачусетсе, в ходе которых сточные воды аэрировались в бутылке, покрытой водорослями. Коллеги Фаулера по инженерному цеху, Ардерн и Локетт[18], проводили эксперименты по очистке сточных вод в реакторе с загрузкой и выгрузкой, в результате которых получались высокоочищенные стоки. Они непрерывно аэрировали сточные воды в течение месяца и смогли добиться полной нитрификации образца. Полагая, что осадок был активирован (подобно активированному углю), процесс был назван активным илом. Лишь много позже пришло понимание того, что на самом деле это средство концентрации биологических организмов, позволяющее отделить время удержания жидкости (в идеале — низкое, для компактной системы очистки) от времени удержания твёрдых частиц (в идеале — достаточно высокое, для получения стоков с низким содержанием БПК5 и аммиака)[19].

Их результаты были опубликованы в основополагающей работе 1914 года, а первая полномасштабная система непрерывного потока была установлена в Вустере два года спустя. После Первой мировой войны новый метод очистки быстро распространился, особенно в США, Дании, Германии и Канаде. К концу 1930-х годов активный ил стал хорошо известным методом биологической очистки сточных вод в тех странах, где были распространены канализационные системы и очистные сооружения[19].

Очистка питьевой воды

[править | править код]
См. также: История фильтров для воды

Песчаный фильтр[править | править код]

Сэр Фрэнсис Бэкон попытался опреснить морскую воду, пропустив её через песчаный фильтр. Хотя его эксперимент не увенчался успехом, он положил начало новому интересу к этой области.

Первое документально подтверждённое использование песчаных фильтров для очистки воды относится к 1804 году, когда владелец прачечной в Пейсли (Шотландия) Джон Гибб установил экспериментальный фильтр, продавая его ненужные излишки населению[20][21]. В последующие два десятилетия этот метод был усовершенствован инженерами, работавшими на частные водопроводные компании, и в итоге появился первый в мире очищенный общественный водопровод, установленный инженером Джеймсом Симпсоном для Chelsea Waterworks Company в Лондоне в 1829 году[22][23]. Эта установка обеспечивала фильтрованной водой каждого жителя района, а конструкция сети была широко растиражирована по всей Великобритании в последующие десятилетия.

Закон о водоснабжении метрополии ввёл регулирование деятельности водопроводных компаний в Лондоне, впервые включив минимальные стандарты качества воды. Закон «предусматривал обеспечение метрополии чистой и полезной водой» и требовал, чтобы вся вода «эффективно фильтровалась» с 31 декабря 1855 года[24]. Вслед за этим в 1858 г. был принят закон об обязательной проверке качества воды, включая всесторонние химические анализы. Это законодательство создало мировой прецедент для аналогичных государственных мер в области общественного здравоохранения по всей Европе[25]. В то же время была создана Столичная комиссия по канализации, по всей стране была введена фильтрация воды, и были созданы новые водозаборы на Темзе выше Теддингтонского шлюза. Автоматические напорные фильтры, в которых вода под давлением прогоняется через систему фильтрации, были изобретены в Англии в 1899 году[20].

Хлорирование воды[править | править код]

Возможно, это была одна из первых попыток использования хлора, в 1879 году Уильям Сопер использовал хлорную известь для очистки сточных вод, поступающих от больных брюшным тифом.

В работе, опубликованной в 1894 году, Мориц Траубе официально предложил добавлять хлорид извести (гипохлорит кальция) в воду, чтобы сделать её «свободной от микробов». Два других исследователя подтвердили выводы Траубе и опубликовали свои работы в 1895 году[26]. Первые попытки внедрить хлорирование воды на водоочистных сооружениях были предприняты в 1893 году в Гамбурге, Германия, а в 1897 году город Мейдстон в Кенте, Англия, стал первым, где всё водоснабжение обрабатывалось хлором[27].

Постоянное хлорирование воды началось в 1905 году, когда неисправный медленный песчаный фильтр и загрязнённое водоснабжение привели к серьёзной эпидемии брюшного тифа в Линкольне, Англия[28]. Доктор Александр Крикшанк Хьюстон использовал хлорирование воды, чтобы остановить эпидемию. Его установка подавала в очищаемую воду концентрированный раствор хлорида извести. Хлорирование воды помогло остановить эпидемию, и в качестве меры предосторожности хлорирование продолжалось до 1911 года, когда было введено новое водоснабжение[29].

Хлоринатор с ручным управлением для сжижения хлора для очистки воды, начало XX века. Из книги Chlorination of Water/«Хлорирование воды» Джозефа Раса, 1918 г.

Первое непрерывное использование хлора для дезинфекции в США произошло в 1908 году на водохранилище Бунтон (на реке Рокавей), которое служило источником водоснабжения для Джерси-Сити, штат Нью-Джерси[30]. Хлорирование достигалось контролируемым добавлением разбавленных растворов хлорида извести (гипохлорита кальция) в дозах от 0,2 до 0,35 промилле. Процесс очистки был разработан доктором Джоном Л. Лилом, а хлораторная была спроектирована Джорджем Уорреном Фуллером[30]. В течение следующих нескольких лет хлорная дезинфекция с использованием хлорида извести была быстро внедрена в системы питьевого водоснабжения по всему миру[31].

Техника очистки питьевой воды с помощью сжатого сжиженного хлорного газа была разработана британским офицером индийской медицинской службы Винсентом Б. Несфилдом в 1903 году. Согласно его собственному рассказу, «мне пришло в голову, что хлорный газ может быть признан удовлетворительным… если удастся найти подходящие средства для его использования… Следующий важный вопрос заключался в том, как сделать газ портативным. Этого можно добиться двумя способами: Сжижая его и храня в железных сосудах со свинцовой облицовкой, имеющих струю с очень тонким капиллярным каналом и снабжённых краном или завинчивающейся крышкой. Кран включается, и цилиндр помещается в необходимое количество воды. Хлор выходит с пузырьками, и через 10-15 минут вода становится абсолютно безопасной. Этот метод может быть использован в больших масштабах, например, для обслуживания водовозок»[32].

Майор армии США Карл Роджерс Дарналл, профессор химии в Медицинской школе армии, впервые продемонстрировал это на практике в 1910 году. Вскоре после этого майор Уильям Дж. Л. Лайстер из Медицинского департамента армии использовал раствор гипохлорита кальция в льняном мешке для очистки воды. В течение многих десятилетий метод Лайстера оставался стандартом для сухопутных войск США в полевых условиях и в лагерях, реализованным в виде хорошо знакомого мешка Лайстера (также пишется Lister Bag).

Фторирование[править | править код]

Фторирование воды — практика добавления фтора в питьевую воду с целью уменьшения кариеса.

Первым исследователем фтора был доктор Х. Трендли Дин, руководитель отдела стоматологической гигиены в Национальном институте здоровья (NIH). Дин начал изучать эпидемиологию флюороза в 1931 году. К концу 1930-х годов он и его сотрудники сделали важнейшее открытие. А именно: уровень фтора в питьевой воде до 1,0 промилле не вызывал флюороза эмали у большинства людей, а у небольшого процента людей — только лёгкий флюороз эмали. Это открытие направило мысли Дина в новое русло. Он вспомнил, читая исследования Маккея и Блэка о флюорозе, что пёстрая зубная эмаль необычайно устойчива к кариесу. Дин задался вопросом, не поможет ли добавление фтора в питьевую воду в физически и косметически безопасных концентрациях в борьбе с кариесом. Эта гипотеза, сказал Дин своим коллегам, должна быть проверена. В 1944 году Дин получил желаемое. В том году городская комиссия Гранд-Рапидса, штат Мичиган, после многочисленных обсуждений с исследователями из PHS, Мичиганского департамента здравоохранения и других организаций общественного здравоохранения проголосовала за добавление фтора в общественную воду в следующем году. В 1945 году Гранд-Рапидс стал первым городом в мире, где фторировали питьевую воду. Исследование фторирования воды в Гранд-Рапидсе первоначально спонсировалось Генеральным хирургом США, но вскоре после создания института в 1948 году было передано в ведение NIDR[33].

Тенденции

[править | править код]

Цель 6 в области устойчивого развития, сформулированная в 2015 году, включает задачи по обеспечению доступа к водоснабжению и средствам санитарии на глобальном уровне. В развивающихся странах самообеспечение водой и санитарией используется как подход к постепенному улучшению услуг водоснабжения и канализации, которые в основном финансируются потребителем. Децентрализованные системы водоотведения также приобретают всё большее значение для достижения устойчивой санитарии[34].

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ История Водоочистки, водопровода и канализаций. StudFiles. Дата обращения: 6 апреля 2025.
  2. ↑ Иванюшин Юрий Андреевич, Обухова Марина Витальевна, Миронов Виктор Владимирович. Канализации в цивилизациях. Борьба за санитарное состояние среды обитания человека // Журнал Фронтирных Исследований. — 2024. — № 4. — doi:10.46539/jfs.v9i4.587.
  3. ↑ 1 2 3 Abellán, Javier (2017). Water supply and sanitation services in modern Europe: developments in 19th–20th centuries. 12th International Conference of the Spanish Association of Economic History. University of Salamanca.
  4. ↑ С. В. Яковлев, Ю. М. Ласков. Канализация (водоотведение и очистка сточных вод). 7-е изд. — М.: Стройиздат, 1987.
  5. ↑ Cutler, David M.; Miller, Grant (2005). “The Role of Public Health Improvements in Health Advances: The 20th Century United States”. Demography. 42 (1): 1—22. DOI:10.1353/dem.2005.0002. PMID 15782893. S2CID 35536095.
  6. ↑ Lewis Dunbar B. Gordon. A short description of the plans of Captain James Vetch for the sewerage of the metropolis. — 1851.
  7. ↑ H.H. Stanbridge. History of Sewage Treatment in Britain. — Institute of Water Pollution Control, 1976.
  8. ↑ P.F. Cooper. Historical aspects of wastewater treatment. Дата обращения: 21 декабря 2013. Архивировано 11 мая 2011 года.
  9. ↑ 1 2 Metcalf, Leonard. American Sewerage Practice / Leonard Metcalf, Harrison P. Eddy. — New York : McGraw-Hill, 1914. Vol. I: Design of Sewers.
  10. ↑ 1 2 Martin V. Melosi. The Sanitary City: Environmental Services in Urban America from Colonial Times to the Present. — University of Pittsburgh Press, 2010. — P. 110. — ISBN 978-0-8229-7337-9.
  11. ↑ Colin A. Russell. Edward Frankland: Chemistry, Controversy and Conspiracy in Victorian England. — Cambridge University Press, 2003. — P. 372–380. — ISBN 978-0-521-54581-5.
  12. ↑ Sharma, Sanjay Kumar. Advances in Water Treatment and Pollution Prevention / Sharma, Sanjay Kumar, Sanghi, Rashmi. — Springer Science & Business Media, 2012. — ISBN 978-94-007-4204-8.
  13. ↑ Epidemics, demonstration effects, and municipal investment in sanitation capital. Архивировано 4 сентября 2006 года.
  14. ↑ Edwin Chadwick and the Engineers, 1842–1854: Systems and Antisystems in the Pipe-and-Brick Sewers War Technology and Culture (1992).
  15. ↑ Tilley, David F. Aerobic Wastewater Treatment Processes: History and Development. — IWA Publishing, 2011. — ISBN 978-1-84339-542-3.
  16. ↑ Final report of the commissioners appointed to inquire and report what methods of treating and disposing of sewage (1912). us.archive.org
  17. ↑ Benidickson, Jamie. The Culture of Flushing: A Social and Legal History of Sewage. — UBC Press, 2011. — ISBN 9780774841382.
  18. ↑ 1 2 Beychok, Milton R. Aqueous Wastes from Petroleum and Petrochemical Plants. — 1st. — John Wiley & Sons Ltd, 1967.
  19. ↑ 1 2 Benidickson, Jamie. The Culture of Flushing: A Social and Legal History of Sewage. — UBC Press, 2011. — ISBN 9780774841382.
  20. ↑ 1 2 Filtration of water supplies, World Health Organization, <https://www.who.int/water_sanitation_health/publications/ssf2.pdf>. Проверено 5 октября 2020. 
  21. ↑ Buchan, James. (2003). Crowded with genius: the Scottish enlightenment: Edinburgh’s moment of the mind. New York: Harper Collins.
  22. ↑ History of the Chelsea Waterworks. Дата обращения: 9 января 2014. Архивировано 3 марта 2016 года.
  23. ↑ Christman, Keith. (1998). The history of chlorine. Waterworld, 14 (8), 66-67.
  24. ↑ An Act to make better Provision respecting the Supply of Water to the Metropolis, (15 & 16 Vict. C.84)
  25. ↑ Slow Sand Filtration of Water. Дата обращения: 17 декабря 2012. Архивировано 8 октября 2012 года.
  26. ↑ Turneaure, F.E. Public Water-Supplies: Requirements, Resources, and the Construction of Works / Turneaure, F.E., H.L. Russell. — 1st. — New York : John Wiley & Sons, 1901. — P. 493.
  27. ↑ “Typhoid Epidemic at Maidstone”. Journal of the Sanitary Institute. 18: 388. October 1897.
  28. ↑ A miracle for public health? Дата обращения: 17 декабря 2012. Архивировано 9 января 2014 года.
  29. ↑ Reece, R. J. (1907). «Report on the Epidemic of Enteric Fever in the City of Lincoln, 1904-05.» In the Thirty-Fifth Annual Report of the Local Government Board, 1905-06: Supplement Containing the Report of the Medical Officer for 1905-6. London: Local Government Board.
  30. ↑ 1 2 Leal, John L. (1909). «The Sterilization Plant of the Jersey City Water Supply Company at Boonton, N.J.» Proceedings American Water Works Association. pp. 100—109.
  31. ↑ Hazen, Allen. (1916). Clean Water and How to Get It. New York:Wiley. p. 102.
  32. ↑ V. B. Nesfield (1902). “A Chemical Method of Sterilizing Water Without Affecting its Potability”. Public Health. 15: 601—603. DOI:10.1016/s0033-3506(02)80142-1. Архивировано из оригинала 19 April 2021. Дата обращения 9 January 2014. Используется устаревший параметр |url-status= (справка)
  33. ↑ The Story of Fluoridation (англ.). www.nidcr.nih.gov. Дата обращения: 15 марта 2022.
  34. ↑ Andersson, Kim; Dickin, Sarah; Rosemarin, Arno (2016-12-08). “Towards "Sustainable" Sanitation: Challenges and Opportunities in Urban Areas”. Sustainability [англ.]. 8 (12): 1289. DOI:10.3390/su8121289. ISSN 2071-1050.

Литература

[править | править код]
Источник — https://ru.ruwiki.ru/w/index.php?title=История_очистки_воды&oldid=1205207416