Е. А. Хохрякова

Современные методы обеззараживания воды

Введение

Природная вода, как правило, не соответствует гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде, поэтому перед подачей населению практически всегда необходима ее очистка и обеззараживание. Потребляемая человеком для питья, как и используемая на различных производствах, природная вода должна быть безопасной в санитарно-эпидемиологическом отношении, безвредной по своему химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства.

Известно, что ни один из современных методов обработки воды не обеспечивает ее 100 %-ной очистки от микроорганизмов. Но даже если бы система водоподготовки и могла способствовать абсолютному удалению из воды всех микроорганизмов, то всегда остается большая вероятность вторичного загрязнения очищенной воды при ее транспортировке по трубам, хранении в емкостях, контакте с атмосферным воздухом и т. д.

Санитарные правила и нормы (СанПиН) не ставят целью доведение воды по микробиологическим показателям до идеального, а следовательно, стерильного качества, при котором в ней будут отсутствовать все микроорганизмы. Задача состоит в том, чтобы удалить наиболее опасные из них для здоровья человека.

Основными документами, которые определяют гигиенические требования к качеству питьевой воды, являются: СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» и СанПиН 2.1.4.1175-02 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников».

В настоящее время известно много методов обеззараживания воды и множество приборов, использующихся их для реализации. Выбор способа обеззараживания зависит от множества факторов: источника водоснабжения, биологических особенностей микроорганизмов, экономической целесообразности и т. д.

Главная задача этого издания – дать основные сведения о современных методах обеззараживания воды для питьевых целей, краткую характеристику каждого метода, аппаратурного его оформления и возможности применения в практике централизованного и индивидуального водоснабжения.

Важно и нужно, чтобы каждый водопользователь мог правильно сформулировать цели и задачи при выборе метода обеззараживая и в конечном итоге – получения качественной питьевой воды.

В издании приведены начальные сведения по основным источникам водопользования, их характеристика и данные о пригодности источника для питьевых целей, а также нормативные документы, регламентирующие водно-санитарное законодательство, сравнительный обзор нормативных документов, регламентирующих качество питьевой воды в части обеззараживания, принятых в России и за рубежом.

Очистка воды, в том числе её обесцвечивание и осветление, является первым этапом в подготовке питьевой воды, на котором из нее удаляются взвешенные вещества, яйца гельминтов и значительная часть микроорганизмов. Однако некоторые патогенные бактерии и вирусы проникают через очистные сооружения и содержутся в фильтрованной воде.

Для того чтобы создать надёжный барьер на пути возможной передачи через воду кишечных инфекций и других, не менее опасных болезней, и применяется её обеззараживание, т. е. уничтожение патогенных микроорганизмов – бактерий и вирусов.

Именно микробиологические загрязнения воды приводят к максимальному риску для здоровья человека. Доказано, что опасность заболеваний от присутствующих в воде болезнетворных микроорганизмов в тысячи раз выше, чем при загрязнении воды химическими соединениями различной природы.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что именно обеззараживание до пределов, отвечающих установленным гигиеническим нормативам, является обязательным условием получения воды для питьевых нужд.

1. Источники водоснабжения, их пригодность для обеззараживания

Все источники водозабора подразделяются на два больших класса – подземные воды и поверхностные воды. К подземным относятся: артезианские, подрусловые, родниковая. Поверхностные воды – это речная, озерная, морская и вода из водохранилищ.

В соответствии с требованиями нормативного документа ГОСТ 2761-84, выбор источника водоснабжения производится на основании следующих данных:

при подземном источнике водоснабжения – анализов качества воды, гидрогеологической характеристики используемого водоносного горизонта, санитарной характеристики местности в районе водозабора, существующих и потенциальных источников загрязнения почвы и водоносных горизонтов;

при поверхностном источнике водоснабжения – анализов качества воды, гидрологических данных, минимальных и средних расходов воды, соответствия их предполагаемому водозабору, санитарной характеристики бассейна, развития промышленности, наличия и возможности появления источников бытового, промышленного и сельскохозяйственного загрязнения в районе предполагаемого водозабора. Характерной чертой воды из поверхностных источников является наличие большой водной поверхности, которая непосредственно соприкасается с атмосферой и находится под воздействием лучистой энергии солнца, что создает благоприятные условия для развития водной флоры и фауны, активного течения процессов самоочищения.

Однако вода открытых водоемов подвержена сезонным колебаниям состава, содержит различные примеси – минеральные и органические вещества, а также бактерии и вирусы, а вблизи крупных населенных пунктов и промышленных предприятий велика вероятность ее загрязнения различными химическими веществами и микроорганизмами.

Для речной воды характерны высокая мутность и цветность, наличие большого количества органических веществ и бактерий, низкое солесодержание и жесткость. Санитарные качества речной воды низкие вследствие загрязнения ее сточной водой из жилых поселков и городов.

Для озерной и воды из водохранилищ характерны низкое содержание взвешенных частиц, высокая цветность и перманганатная окисляемость, часто наблюдается цветение воды за счет развития водорослей. Озерная вода имеет различную степень минерализации. Эти воды небезопасны в эпидемиологическом отношении.

В поверхностных водотоках происходят процессы самоочищения воды за счет физических, химических и биологических реакций. Под действием биохимических процессов при участии простейших водных организмов, микробов-антагонистов, антибиотиков биологического происхождения погибают патогенные бактерии и вирусы.

Круговорот воды в глобальном природном цикле: 1– мировой океан; 2 – почвенные и грунтовые воды; 3 – поверхностные воды суши; 4 – снег и лед; 5 – транспирация; 6 – речной (поверхностный) сток; 7 – вода в атмосфере в виде паров и атмосферной влаги.

Как правило, процессы самоочищения не обеспечивают качества воды, необходимого для хозяйственно-питьевых нужд, поэтому вся поверхностная вода подвергается процессам очищения с обязательным последующим обеззараживанием.

Воды из подземных источников водозабора имеют ряд преимуществ перед поверхностными: защищенность от внешнего воздействия и безопасность в эпидемиологическом отношении.

Морская вода содержит большое количество минеральных солей. Ее применяют в производственном водоснабжении для охлаждения, а при отсутствии пресных вод – и для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения после опреснения.

Применение воды из подземных источников водозабора для водоснабжения имеет ряд преимуществ перед поверхностными источниками. Самыми важными из них являются защищенность от внешнего воздействия и, как следствие, безопасность в эпидемиологическом отношении.

Накопление и движение подземных вод зависит от строения пород, которые по отношению к воде разделяются на водонепроницаемые (водоупорные) и водопроницаемые. К водонепроницаемым относятся: гранит, глина, известняк; к водопроницаемым – песок, гравий, галечник и трещиноватые породы.

По условиям залегания подземные воды делятся на почвенные, грунтовые и межпластовые.

Почвенные воды наиболее близко расположены к поверхности, не защищены ни одним водонепроницаемым слоем. И как результат состав почвенных вод испытывает сильные колебания состава как в кратковременные периоды (дождь, засуха и т. д.), так и по временам года, например, таяние снега. Так как атмосферные воды могут легко попадать в почвенные, то применение почвенных вод для водоснабжения требует системы очистки и обязательного обеззараживания.

Грунтовые воды расположены ниже почвенных, глубина залегания от двух до нескольких десятков метров; они скапливаются на первом водонепроницаемом слое, но не имеют верхнего водонепроницаемого слоя. Между грунтовыми и почвенными водами может происходить водообмен, поэтому качество почвенных вод влияет на состояние грунтовых. Состав грунтовых вод подвержен несильным колебаниям и является фактически постоянным. В процессе фильтрования через слой почвы воды очищаются от минеральных примесей и частично от бактерий и микроорганизмов. Грунтовые воды являются наиболее распространенными источниками водоснабжения в сельских местностях.

Подрусловые воды – это воды, добываемые из скважин, глубина которых соответствует отметкам дна ручья, реки или озера. Может происходить просачивание речной воды в грунтовый слой, эти воды также называют подрусловыми. Состав подрусловых вод подвержен различным колебаниям, не очень надежен в санитарном отношении; и применение этих вод для системы водоснабжения требует очистки и обеззараживания.

Родник – это источник воды, самостоятельно изливающийся на поверхность. Наличие родника свидетельствует о нахождении в глубине водоупорного слоя, подпирающего водоупорный пласт, насыщенный влагой. Качество и состав родниковой воды определяется питающей ее грунтовой водой.

Межпластовые воды находятся между двумя водонепроницаемыми породами. Верхний водонепроницаемый слой защищает эти воды от проникновения атмосферных осадков и грунтовых вод. Вследствие глубокого залегания колебания состава воды незначительные, воды наиболее благополучные в санитарном отношении.

Загрязнение межпластовых вод происходит крайне редко: только при нарушении целостности водоупорных слоев или при отсутствии надзора за старыми скважинами, бывшими в эксплуатации на протяжении долгого времени.

Межпластовые воды могут иметь естественный выход на поверхность в виде восходящих ключей или родников – эти воды более всего подходят для системы питьевого водоснабжения.

Следует отметить, что единого состава воды не существует, поскольку даже артезианская вода, залегающая на одной и той же глубине, попадает к нам в дом, проходя через различные породы, изменяя при этом свой состав.

2. Классификация методов обеззараживания

В технологии водоподготовки существует много методов обеззараживания воды, которые условно можно разделить на два основных класса – химические и физические, а также их комбинирование.

В химических методах обеззараживание достигается введением в воду биологически активных соединений.

При физических методах вода подвергается обработке различными физическими воздействиями.

К химическим или реагентным методам обеззараживания воды относится введение сильных окислителей, в качестве которых используют хлор, диоксид хлора, озон, иод, гипохлорит натрия и кальция, перекись водорода, марганцевокислый калий. Из вышеперечисленных окислителей практическое применение в системах обеззараживания воды находят: хлор, озон, гипохлорит натрия, диоксид хлора. Другой химический метод – олигодинамия – воздействие на воду ионами благородных металлов.

В случае обеззараживания питьевой воды химическим методом для достижения стойкого обеззараживающего эффекта необходимо правильно определить дозу вводимого реагента и обеспечить достаточную длительность его контакта с водой. Доза реагента при этом рассчитывается, или проводится пробное обеззараживание на модельном растворе/объекте.

Доза реагента рассчитывается с избытком (остаточный хлор), гарантирующим уничтожение микроорганизмов, даже попадающих в воду еще на протяжении некоторого времени после ее обеззараживания, что обеспечивает пролонгированный эффект.

Физические методы обеззараживания:

– ультрафиолетовое облучение;

– термическое воздействие;

– ультразвуковое воздействие;

– воздействие электрическим разрядом.

При физических методах обеззараживания воды к единице её объема необходимо подвести заданное количество энергии, определяемое как произведение интенсивности воздействия (мощности излучения) на время контакта.

Эффективность обеззараживания воды химическими и физическими методами во многом зависит от свойств воды, а также от биологических особенностей микроорганизмов, т. е. их устойчивости к этим воздействиям.

Выбор метода, оценка экономической целесообразности применения того или иного метода обеззараживания воды определяется источником водоснабжения, составом воды, типом установленного оборудования водопроводной станции и ее местоположением (удаленностью от потребителей), стоимостью реагентов и оборудования дезинфекции.

Важно понимать – ни один из методов обеззараживания не является универсальным и самым лучшим. Каждый метод обладает своими достоинствами и недостатками.

3. Нормативно-технические документы водно-санитарного законодательства

Вода, потребляемая людьми, живущими в самых различных условиях, поступает из многих источников. Это могут быть реки, озера, болота, водоёмы, колодцы, артезианские скважины и т. д. Соответственно, вода, добываемая из разных по происхождению источников, различается по своим качествам и свойствам.

Существует большая вероятность того, что даже вода из близко расположенных друг к другу источников будет разительно различаться по качеству.

Промышленные предприятия, санатории, коммерческие компании, больницы и прочие лечебные учреждения, сельские жители и жители мегаполисов – все предъявляют свои, особые, требования к качеству воды.

Именно поэтому очистка и обеззараживание воды необходимы тогда, когда качество воды не отвечает требованиям потребителей.

Требования к качеству и безопасности воды установлены в следующих основных нормативных документах, перечисленных в табл. 1.

Таблица 1

Существуют также технологические нормативы и требования, связанные с проектированием систем водоподготовки (табл. 2).

Таблица 2

Безопасность воды в эпидемическом отношении определяется общим числом микроорганизмов и числом бактерий группы кишечных палочек. По микробиологическим показателям вода должна соответствовать требованиям, приведенным в табл. 3.

Таблица 3

*Индикаторные параметры качества воды. Только в целях мониторинга государства – члены ЕС на своей территории или ее части могут устанавливать дополнительные параметры, но их введение не должно ухудшать здоровье людей.

**Обязательные параметры.

4. Обработка воды сильными окислителями

Обеззараживание воды реагентными методами осуществляется добавлением в воду различных химических дезинфицирующих средств или проведением специальных мероприятий. Применение химических веществ в обработке воды обычно приводит к образованию побочных химических продуктов. Однако риск для здоровья от их воздействия ничтожен по сравнению с риском, связанным с вредоносными микроорганизмами, развивающимися в воде вследствие отсутствия ее обеззараживания или его некачественного проведения.

Минздравом разрешено применение более 200 средств для дезинфекции и стерилизации воды.

В данном разделе рассмотрим основные дезинфектанты, применяемые в системах водоснабжения России.

4.1. Хлорирование

Хлор был открыт шведским химиком Шееле в 1774 г. С этого года начинется история применения реагентов, содержащих активный хлор (уже более двух веков). Почти сразу было обнаружено его отбеливающее действие на растительные волокна – лен и хлопок. После этого открытия в 1785 г. французский химик Клод Луи Бертолле использовал хлор для беления тканей и бумаги в промышленном масштабе.

Но только в XIX в. было обнаружено, что «хлорная вода» (так в то время называли результат взаимодействия хлора с водой) обладает и дезинфицирующим действием. Можно считать, что в качестве дезинфицирующего средства хлор начал применяться с 1846 г., когда в одном из госпиталей Вены для врачей была введена практика ополаскивать руки «хлорной водой».

В 1888 г. на Международном гигиеническом конгрессе в Вене было признано, что многие заразные болезни могут распространяться посредством питьевой воды, в том числе такая опасная и распространенная на тот период, как холера. Фактически этот конгресс послужил толчком для поиска наиболее эффективного способа обеззараживания воды. Развитие темы хлорирования для обеззараживания питьевой воды связано со строительством водопроводов в больших городах. Впервые для этой цели его применили в Нью-Йорке в 1895 г. В России хлор для обеззараживания питьевой воды первый раз был использован в начале XX в. в Петербурге.

В настоящее время наиболее распространенным методом обеззараживания воды является применение хлора и его соединений. Более 90 % воды (подавляющее большинство) подвергается хлорированию. Технологическая простота процесса хлорирования и доступность реагентов обеспечили широкое внедрение хлорирования в практику водоснабжения.

Самое главное преимущество этого способа обеззараживания – способность обеспечить микробиологическую безопасность воды в любой точке распределительной сети, в любой момент времени, при ее транспортировании пользователю – именно благодаря эффекту последействия. После введения хлорирующего агента в воду он очень долго сохраняет свою активность по отношению к микробам, угнетает их ферментные системы на всем пути следования воды по водопроводным сетям от объекта водоподготовки (водозабора) до каждого потребителя.

Благодаря окислительным свойствам и эффекту последействия, хлорирование предотвращает рост водорослей, способствует удалению из воды железа и марганца, разрушению сероводорода, обесцвечиванию воды, поддержанию микробиологической чистоты фильтров и т. п.

4.2. Методика хлорирования

При выборе метода хлорирования (обработки воды хлором или другими хлорагентами) необходимо учитывать целевое назначение процесса хлорирования, характер имеющихся в воде загрязнений, особенности колебания состава воды в зависимости от сезона. Особое внимание следует уделить специфическим особенностям технологической схемы очистки воды и оборудования, входящего в состав очистных сооружений.

По целям все методики можно разделить на два больших класса: первичное (предварительное хлорирование, предхлорирование) и финишное (окончательное) хлорирование.

Первичное хлорирование – введение хлора или хлорсодержащих реагентов в воду проводится максимально близко к источнику забора воды. По своим целям первичное хлорирование служит не только для обеззараживания воды, но и для интенсификации процессов очистки воды от примесей, например обезжелезивания, коагулирования. При этом используются большие дозы хлора, стадия дехлорирования, как правило, отсутствует, так как избыточное количество хлора полностью удаляется на других стадиях очистки воды.

Финишное или окончательное хлорирование – это процесс обеззараживания воды, проводимый как последняя стадия ее подготовки, т. е. предварительно все загрязняющие вещества уже удалены и хлор расходуется только на обеззараживание.

Хлорирование проводят как небольшими дозами хлора – нормальное хлорирование, так и повышенными дозами – перехлорирование.

Нормальное хлорирование применяют при заборе воды из надежных в санитарном отношении источников. Дозы хлора должны обеспечивать необходимый бактерицидный эффект без ухудшения органолептических показателей качества воды. Допустимое количество остаточного хлора после 30-минутного контакта воды с хлором – не выше 0,5 мг/л.

Перехлорирование применяется при заборе воды из источников, характеризующихся большими колебаниями состава, особенно по микробиологическим показателям, и в том случае, если нормальное хлорирование не дает стабильного бактерицидного эффекта. Также перехлорирование применяют при наличии в воде фенолов, когда нормальное хлорирование приводит только к ухудшению органолептических показателей качества воды. Перехлорирование устраняет многие неприятные привкусы, запахи и в некоторых случаях может применяться для очистки воды от токсичных веществ. Доза остаточного хлора при перехлорировании обычно устанавливается в пределах 1–10 мг/л. Избыток остаточного хлора затем удаляют дехлорированием воды; небольшой избыток – аэрированием; большее количество – добавками восстанавливающего реагента – дехлора (тиосульфата или сульфита натрия, дисульфита натрия, аммиака, сернистого ангидрида, активированного угля).

Комбинированные методы хлорирования, т. е. обработка воды хлором совместно с другими бактерицидными препаратами, используют для усиления действия хлора или фиксации его в воде на более длительный срок. Комбинированные методы хлорирования, как правило, применяют для обработки больших количеств воды на стационарных водопроводах. К комбинированным методам относятся: хлорирование с манганированием, хлорсеребряный и хлормедный способы, а также хлорирование с аммонизацией.

Несмотря на то что хлорирование до сих пор является самым распространенным методом обеззараживания, данному методу присущи и некоторые ограничения в применении, например:

– в результате хлорирования в обрабатываемой воде могут образоваться хлорорганические соединения (ХОС);

– традиционные способы хлорирования в некоторых случаях не являются барьером на пути проникновения ряда бактерий и вирусов в воду;

– хлорирование воды, проводимое в больших масштабах, вызвало широкое распространение резистивных к хлору микроорганизмов;

– растворы хлорсодержащих реагентов коррозионно активны, что порой является причиной быстрого износа оборудования;

Как указано в методических рекомендациях по обеспечению выполнения требований СанПиН 2.1.4.10741-01, на водопроводных станциях при очистке природных вод при соблюдении нормативных условий хлорирования (содержание остаточного хлора – не менее 0,5 мг/л при контакте в течение 30 мин) можно уменьшить более, чем на 99 % содержание E.coli и некоторых вирусов, но не цист паразитирующих простейших. Для очистки воды от микробиологических загрязнений, устойчивых к действию хлорореагентов (вирус гепатита А или цисты лямблий), необходимо увеличить время контакта воды с хлором от 0,5 до 3 ч (при содержании остаточного хлора 0,5–0,6 мг/л).

Комбинированные методы хлорирования, обработка воды хлором совместно с другими бактерицидными препаратами, используют для усиления действия хлора или фиксации его в воде на более длительный срок.

В целях обеспечения здоровья населения во многих странах введены государственные нормативы, ограничивающие содержание ХОС в питьевой воде. В России нормируется 74 показателя, например:

– хлороформ – 0,2 мг/л;

– дихлорбромметан – 0,03 мг/л;

– четыреххлористый углерод – 0,006 мг/л.

В настоящее время предельно допустимые концентрации для веществ, являющихся побочными продуктами хлорирования, установлены в различных развитых странах в пределах от 0,06 до 0,2 мг/л, что соответствует современным научным данным о степени их опасности для здоровья.

Процесс образования ХОС довольно сложен, растянут по времени до нескольких часов и зависит от многих факторов: дозы хлора, концентрации в воде органических веществ, времени контакта, температуры, величины рН воды, щелочности и т. д. Главной причиной образования в воде ХОС является наличие органических гуминовых и фульвокислот, а также водорослевых метаболитов. Для устранения этих примесей впоследствии требуется доочистка воды угольными фильтрами. Наиболее интенсивное образование ХОС происходит при предварительном хлорировании, когда большие дозы хлора подаются в неочищенную воду, содержащую значительное количество органических веществ. В настоящее время существуют два основных метода предупреждения образования ХОС: коррекция схемы хлорирования и отказ от применения хлора как основного метода обеззараживания воды.

При коррекции схемы хлорирования осуществляется перенос места ввода основной части хлора в конец технологической схемы водоподготовки, что позволит отказаться от подачи больших доз хлора в неочищенную воду. При выборе данной схемы важным требованием является удаление органических соединений (предшественников образования ХОС) до ввода хлора. Отказа от предварительного хлорирования и переноса подачи основной дозы хлора в конец очистных сооружений обычно вполне достаточно для решения проблемы, связанной с образованием ХОС. Однако это приводит к значительному снижению эффективности обеззараживания воды и уменьшению значения очистных сооружений в качестве барьера.

Хлорирование воды является надежным средством, предотвращающим распространение эпидемий, так как большинство патогенных бактерий (бациллы брюшного тифа, туберкулеза и дизентерии, вибрионы холеры, вирусы полиомиелита и энцефалита) весьма нестойки в хлоре.

Об исключении хлора на первичном обеззараживании уместно говорить лишь при наличии в воде органических соединений, которые при взаимодействии с хлором (и гипохлоритом) образуют тригалометаны, негативно влияющие на организм человека.

Для хлорирования воды используются такие вещества, как собственно хлор (жидкий или газообразный), гипохлорит натрия, диоксид хлора и другие хлорсодержащие вещества.

4.2.1. Хлор

Хлор является самым распространенным веществом, используемым для обеззараживания питьевой воды. Это объясняется его высокой эффективностью, простотой используемого технологического оборудования, дешевизной применяемого реагента – жидкого или газообразного хлора – и относительной простотой обслуживания.

Хлор легко растворяется в воде, после смешения газообразного хлора с водой в водном растворе устанавливается равновесие:

Cl_2 + H_2O ↔ HClO + HCl.

Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты:

НСlО ↔ Н+ + ОСl—

Наличие хлорноватистой кислоты в водных растворах хлора и получающиеся в результате ее диссоциации анионы ОСl— обладают сильными бактерицидными свойствами. Хлорноватистая кислота почти в 300 раз более активна, чем гипохлорит-ионы ClO—. Объясняется это уникальной способностью HClO проникать в бактерии через их мембраны. Хлорноватистая кислота подвержена разложению на свету:

2HClO → 2O + 2HCl → О_2 + 2HCl

с образованием хлористоводородной кислоты и атомарного кислорода в качестве промежуточного вещества, который также является сильнейшим окислителем.

Обработку воды хлором осуществляют с помощью, так называемых, хлораторов, в которых газообразный (испаренный) хлор абсорбируют водой. Полученная хлорированная вода из хлоратора сразу подается к месту ее потребления. Несмотря на то что этот метод обработки воды и является наиболее распространенным, у него тоже есть ряд недостатков. Прежде всего, сложная транспортировка и хранение больших объемов жидкого высокотоксичного хлора. При такой организации процесса неизбежно присутствуют потенциально опасные стадии – прежде всего разгрузка емкостей с жидким хлором и его испарение для перевода в рабочую форму.

Создание рабочих запасов хлора на складах представляет опасность не только для рабочего персонала станции, но и для жителей расположенных рядом домов. Как альтернативный вариант хлорирования в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), этот метод находит применение как на промышленных станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе в частных домах.

4.2.2. Диоксид хлора

Диоксид хлора применяют для обеззараживания воды в Европе, США и России. В США в 1944 г. была введена в эксплуатацию одна из первых систем обеззараживания питьевой воды диоксидом хлора – система «Ниагара Фоллз». В Германии используют диоксид хлора с 1959 г. Мировой опыт применения диоксида хлора и многочисленные исследования показали его эффективность при подготовке и дезинфекции питьевых, производственных и сточных вод.

Основные способы получения диоксида хлора

Распространены три основных метода получения диоксида хлора:

– взаимодействие хлорита натрия с соляной кислотой:

5NaClO_2 + 4HCl = 4ClO_2 + 5NaCl + 2H_2O;

– взаимодействие хлорита натрия с молекулярным хлором, (гипохлоритом натрия, хлорноватистой кислотой). Реакция проводится путем введения газообразного хлора в раствор хлорита натрия в условиях вакуума:

2NaClO_2 + Cl_2= 2ClO_2 + 2NaCl;

– взаимодействие хлората натрия с серной кислотой и перекисью водорода:

2NaClO_3 + H_2SO_4 + 2H_2O = 2ClO_2 + 2O_2 + Na_2SO_4

Эффективное действие ClО_2 обусловлено не только высоким содержанием при реакции высвобождающегося хлора, но и образующимся атомарным кислородом.

В настоящее время есть установки, использующие все эти способы получения диоксида хлора для его дальнейшего применения в процессах обеззараживания питьевой воды. Основным фактором, мешающим широкому распространению использования диоксида хлора, является его повышенная взрывоопасность, осложняющая производство, транспортировку и хранение. Современные технологии устранили этот недостаток за счет производства диоксида хлора непосредственно на месте применения в виде водного раствора безопасной концентрации. Процессы получения и дозирования диоксида хлора в обрабатываемую воду полностью автоматизированы, не требуется присутствия обслуживающего персонала. В связи с этим возможно его применение в установках относительно небольшой производительности.

Применение диоксида хлора для обеззараживания воды обладает рядом преимуществ:

– диоксид хлора не образует тригалометанов при взаимодействии с органическими веществами, при этом способствует снижению концентраций железа и марганца в воде;

– является эффективным окислителем и дезинфектантом для всех видов микроорганизмов, включая цисты (Giardia, Cryptosporidium), споровые формы бактерий и вирусы;

– дезинфицирующее действие практически не зависит от pH воды, в то время как эффективность хлора снижается с отклонением значения pH от pH=7,4;

– дезодорирует воду, разрушает фенолы – источники неприятного вкуса и запаха;

– не образует броматов и броморганических побочных продуктов дезинфекции в присутствии бромидов.

Основным недостатком применения диоксида хлора является образование побочных продуктов – хлоратов и хлоритов, содержание которых в питьевой воде необходимо контролировать. В соответствии с СанПиН, предельно допустимая концентрация хлоритов – 0,2 мг/дм^3 с санитарно-токсикологическим лимитирующим показателем, соответствующим третьему классу опасности. Эти нормы ограничивают предельную дозу диоксида при дезинфекции воды.

4.2.3. Гипохлорит натрия

В качестве альтернативного варианта в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), причем этот реагент находит применение как на больших станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах.

Водные растворы гипохлорита натрия получают химическим:

Cl_2 + 2NaOH = NaClO + NaCl + H_2O

или электрохимическим методом по реакции:

NaCl + H_2O = NaClO + H_2.

Вещество гипохлорит натрия (NaClO) в чистом химическом виде (т. е. без воды) представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагающееся на хлорид натрия (поваренная соль) и кислород:

2NaClO = 2NaCl + O_2.

При растворении в воде, гипохлорит натрия диссоциирует на ионы:

Гипохлорит-ион OCl- в воде подвергается гидролизу, образуя хлорноватистую кислоту HOCl:

ОCl- + H_2O = HOCl + OH-.

Именно наличие хлорноватистой кислоты в водных растворах гипохлорита натрия объясняет его сильные дезинфицирующие и отбеливающие свойства. Наивысшая бактерицидная способность гипохлорита проявляется в нейтральной среде, когда концентрации HClO и гипохлорит-анионов ClO- приблизительно равны.

Разложение гипохлорита сопровождается образованием ряда активных частиц, в частности, атомарного кислорода, обладающего высоким биоцидным действием. Образующиеся частицы принимают участие в уничтожении микроорганизмов, взаимодействуя с биополимерами в их структуре, способными к окислению. Исследованиями установлено, этот процесс аналогичен тому, который происходит естественным образом во всех высших организмах. Некоторые клетки человека (нейтрофилы, гепатоциты и др.) синтезируют хлорноватистую кислоту и сопутствующие высокоактивные радикалы для борьбы с микроорганизмами и чужеродными субстанциям.

Обеззараживание воды и окисление примесей с использованием гипохлорита натрия, производимого электрохимически, впервые было применено в США в конце 30-х гг. XX в… Гипохлорит натрия обладает рядом ценных свойств. Его водные растворы не имеют взвесей и поэтому не нуждаются в отстаивании в противоположность хлорной извести. Применение гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, поскольку не содержит солей кальция и магния как хлорная известь или гипохлорит кальция.

Бактерицидный эффект раствора NaClO, полученного электролизом, выше, чем у других дезинфектантов, действующее начало которых – активный хлор. Кроме того, раствор обладает еще большим окислительным действием, чем растворы, приготовленные химическим методом, поскольку содержит больше хлорноватистой кислоты (HClO).

Недостатком данного метода является то, что водные растворы гипохлорита натрия неустойчивы и со временем разлагаются даже при комнатной температуре.

Промышленностью нашей страны гипохлорит натрия выпускается в виде водных растворов различной концентрации.

В соответствии с ГОСТ 11086-76 раствор гипохлорита натрия, получаемый по химическому методу, выпускается в виде трех марок. Ниже приведены показатели по составу продуктов.

Гипохлорит натрия в виде раствора (марки А, Б или «Белизна») – это раствор гипохлорита (16–19 % NaOCl) с примесью хлорида и гидроксида натрия (рН 12–14). Оба раствора со временем разлагаются. Скорость разложения зависит от условий их хранения.

Раствор гипохлорита натрия реагент легко дозируется, что позволяет автоматизировать процесс обеззараживания воды.

4.2.4. Хлорсодержащие реагенты

Использование для обеззараживания воды хлорсодержащих реагентов (хлорной извести, гипохлоритов натрия и кальция) менее опасно в обслуживании, чем применение хлора и не требует сложных технологических решений. Правда, применяемое при этом реагентное хозяйство более громоздко, что связано с необходимостью хранения больших количеств препаратов (в 3–5 раз больше, чем при использовании хлора). Во столько же раз увеличивается объем перевозок.

При хранении происходит частичное разложение реагентов с уменьшением содержания хлора. В связи с этим необходимо обустраивать систему притяжно-вытяжной вентиляции и соблюдать меры безопасности для обслуживающего персонала. Растворы хлорсодержаших реагентов коррозионно-активны и требуют оборудования и трубопроводов из нержавеющих материалов или с антикоррозийным покрытием, при индивидуальном водоснабжении обычно не используются.

4.2.5. Хлорирование для индивидуального водоснабжения

Все большее распространение, особенно на небольших станциях водоподготовки, получают установки по производству активных хлорсодержаших реагентов электрохимическими методами.

В России несколько предприятий предлагают установки типа «Санер», «Санатор», «Хлорэл-200» для производства гипохлорита натрия методом диафрагменного электролиза поваренной соли.

Наиболее просто и часто вопросы хлорирования воды для индивидуального водоснабжения решаются применением гипохлорита натрия, в качестве реагента возможно применение раствора «Белизна».

Многим потребителям не нравится то, что льющаяся из крана вода может иметь запах хлора, однако эта проблема легко решается посредством установки угольного фильтра.

Методы подготовки воды хлорированием требуют точного дозирования реагентов в обрабатываемую воду, поскольку реагенты отличаются высокой химической активностью. Для решения задач хлорирования нужно применять современную цифровую технику, обеспечивающую точное дозирование реагента пропорционально расходу или объему обрабатываемой воды.

На рынке представлено большое разнообразие дозирующих насосов, различающихся производительностью.

4.3. Другие галогены для обеззараживания воды

4.3.1. Йодирование

Йод – химический элемент из группы галогенов, «родственниками» которого являются фтор, хлор и бром, обозначается символом I (от греч. iodes – фиолетовый; лат Iodum), имеет порядковый номер 53, атомный – 126,90, плотность твердого – 4,94 г/см^3, температура плавления – 113,5 °С, кипения – 184,35 °С. В природе йод в основном сосредоточен в морской воде (в среднем около 0,05 мг/л). Кроме того, он есть и в морских отложениях. Это позволяет ему переходить в подземные воды, в которых его содержание может достигать более 100 мг/л. Столь высокое содержание йода характерно также для районов нефтяных месторождений. В то же время в поверхностных водах его содержание невелико (концентрация колеблется от 1 до 0,01 мкг/л).

Как показывают исследования, метод йодирования эффективен в отношении бактерий и вирусов и недостаточно эффективен при воздействии на микробные токсины и фенольные соединения. Еще одно ограничение на распространение метода йодирования накладывает появление специфического запаха при растворении йода в воде. Поэтому йодирование воды в целях её обеззараживания не выдерживает конкуренции с традиционным хлорированием, несмотря на то, что йод, в отличие от хлора, имеет такие преимущества, как инертность по отношению к аммиаку и его производным, а также устойчивость к солнечной радиации. Обработка воды йодом для целей обеззараживания не нашла широкого распространения, хотя попытки йодирования водопроводной воды предпринимались неоднократно. В настоящее время обработка воды йодом применяется лишь при малых величинах расхода или в тех случаях, когда используются специальные схемы дезинфекции воды. Так, в ряде случаев йодом дезинфицируют воду в плавательных бассейнах.

Йод относится к числу микроэлементов, функции которых в организме весьма многообразны. Он участвует в синтезе гормонов щитовидной железы, воздействует на метаболические и регенерационные процессы. Недостаточное присутствие йода в организме приводит к негативным последствиям. Впрочем, опасность для здоровья человека несет не только недостаток йода, но и его избыток. Так, повышенное количество йода в организме приводит к изменению структурно-функциональных характеристик щитовидной железы, печени, почек.

Не так давно на рынке появились йодированные напитки и вода, расфасованные по бутылкам. Такой подход, несомненно, оправдан, поскольку только сам потребитель, руководствуясь медицинскими показаниями, может решить, стоит ему пить йодированную воду или нет.

В современной практике для обеззараживания питьевой воды йодированием предлагается использовать специальные иониты, насыщенные йодом. При прохождении через них воды йод постепенно вымывается из ионита, переходя воду. Такое решение возможно только для малогабаритных индивидуальных установок в бытовых системах доочистки воды. В таких системах йодирование воды проводится за счет дополнительной установки в одну из ступеней очистки специального фильтрующего элемента. Существенными недостатками являются изменение концентрации йода в процессе работы, невозможность точного дозирования в проточную воду и отсутствие контроля его концентрации.

На российском рынке представлены установки и картриджи «Гейзер» и «Чистая вода».

4.3.2. Бромирование

К химическим методам обеззараживания воды относится также применявшееся в начале XX в. обеззараживание соединениями брома, обладающими более выраженными бактерицидными свойствами, чем хлор, но требующими и более сложной технологии применения.

Бром – химический элемент из группы галогенов, обозначается символом Br (от греч. bromos – зловоние; название связано с неприятным запахом брома; лат. Bromum) имеет порядковый номер 35, атомный вес – 79,90, плотность жидкого – 3,11 г/см^3, кипения – 59,2 °С.

Бром воздействует на микроорганизмы, убивает вирусы, бактерии, грибки, способствует удалению из воды органических примесей, эффективен в борьбе с водорослями. Соединения, основой которых является бром, устойчивы к солнечной радиации.

Однако несмотря на все свои преимущества, метод бромирования воды является очень дорогостоящим, поэтому он не получил широкого распространения при очистке питьевой воды и применяется в основном для обеззараживания воды в небольших бассейнах и СПА.

4.4. Озонирование

4.4.1. История озонирования

В 1840 г. немецкий ученый Шейнбейн, исследуя процессы разложения воды на водород и кислород при помощи электрической дуги, получил новый газ с резким специфическим запахом, который был им назван озоном. Затем были исследования других ученых по изучению свойств и применения озона. Изобретатель Н. Тесла запатентовал первый генератор озона в 1896 г.

Впервые процессы озонирования для очистки воды реализованы во Франции, где уже в 1907 г. был построен первый завод по озонированию воды в г. Бон Вуаяж (Франция) для нужд г. Ниццы, а в 1916 г. действовало 26 озонаторных установок (всего в Европе – 49).

В советское время озонирование было реализовано на Восточной водопроводной станции в Москве, станция была оснащена озонаторами французской компании «Трейли-газ».

4.4.2. Получение озона

Озон (O_3) – газ голубоватого или бледно-фиолетового цвета, самопроизвольно распадающийся на воздухе и в водном растворе, превращаясь в обычный кислород (О_2). Скорость распада озона резко увеличивается в щелочной среде и с ростом температуры. Доза озона зависит от назначения озонированной воды. Если речь идет об обеззараживании воды, предварительно прошедшей фильтрование и осветление, дозу озона принимают равной 1–3 мг/л, для подземной воды – 0,75–1 мг/л. При введении озона для обесцвечивания и обеззараживания загрязненной воды его необходимое количество может доходить до 5 г/л. Продолжительность контакта обеззараживаемой воды с озоном – 8–12 мин.

Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п.

Наиболее экономичный промышленный метод получения озона – воздействие на воздух или кислород электрическим разрядом 5000–25 000 В. Генератор озона состоит из двух установленных на небольшом расстоянии друг от друга пластинчатых или трубчатых (расположение концентрическое) электродов.

Сжижается O_3 легче, чем O_2, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Те же процессы протекают в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.

В лаборатории озон можно получить взаимодействием охлажденной концентрированной серной кислоты с пероксидом бария:

3H_2SO_4 + 3BaO_2 = 3BaSO_4 + O_3 + 3H_2O.

4.4.3. Обеззараживающее действие озона

При повышенном бактериальном загрязнении водоисточника или при наличии в нем патогенных микроорганизмов, энтеровирусов и цист лямблий, устойчивых к действию традиционного хлорирования, озон особенно эффективен. Механизм действия озона на бактерии полностью пока еще не выяснен, однако это не мешает его широкому использованию.

Озон гораздо более сильный окислитель, чем хлор (при применяемых дозах того и другого реагента).

По быстродействию озон эффективнее хлора: обеззараживание происходит быстрее в 15–20 раз. На споровые формы бактерий озон действует разрушающе, в 300–600 раз сильнее хлора. Это подтверждается сравнением их окислительных потенциалов: у хлора Cl_2 – 1,35 В, у озона О_3 – 1,95 В.

Отсутствие в воде химических веществ, быстро реагирующих с озоном, позволяет провести эффективное разрушение E.coli при концентрации растворенного озона 0,01–0,04 мг/л.

Для уничтожения бактерий полиомиелита (штамм Le и Mv) необходимо подвергать воду воздействию хлором в течение 1,5–3 ч при дозе окислителя 0,5–1 мг/л. В то же время озон разрушает эти бактерии за 2 мин при концентрации его в воде 0,05–0,45 мг/л.

Следует отметить такое важное свойство озона, как противовирусное воздействие. Энтеровирусы, в частности, выводящиеся из организма человека, поступают в сточные воды и, следовательно, часто могут попадать в воды поверхностных источников, используемых для питьевого водоснабжения.

Результатом многочисленных исследований установлено: остаточный озон в количестве 0,4–1,0 мг/л, сохраняемый в течение 4–6 мин, обеспечивает уничтожение болезнетворных вирусов, и в большинстве случае такого воздействия вполне достаточно, чтобы устранить все микробные загрязнения.

По сравнению с применением хлора, повышающем токсичность очищенной воды, определенной по гидробионтам, применение озона способствует снижению токсичности.

4.4.4. Аппаратурное оформление

Поскольку озон весьма токсичный газ (ПДК в воздухе зоны – 0,0001 г/м^3), схемы процессов озонирования воды предусматривают его полное использование и деструкцию. В состав озонаторного оборудования обычно входит и специальный дегазатор (деструктор) озона. Все установки озонирования смонтированы из коррозионностойких материалов, оборудованы запорной и сигнальной арматурой, оснащены автоматическими системами запуска (таймеры, реле давления, электромагнитные клапаны и т. д.) и защиты.

Метод озонирования воды технически сложен и наиболее дорогостоящ среди других методов обеззараживания питьевой воды. Технологический процесс включает последовательные стадии очистки воздуха, его охлаждения и осушки, синтеза озона, смешения озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой, отвода и деструкции остаточной озоновоздушной смеси, вывода ее в атмосферу. Все это ограничивает использование данного метода в повседневной жизни.

На российском рынке бытовые озонаторы представлены моделями: «АкваМама», «Экотроника», «Озон Люкс» (RUIQI, состоит из озонатора и угольно фильтра) и др.

Озонаторные установки представлены оборудованием: станции озонирования воды серии CD-OWSG, серии СОВ-М, серии ПВО-TOG и ПВО-ZF, «Озон-ПВ» и др. Установки отличаются конструктивным исполнением и производительностью.

4.4.5. Особенности озонирования

С гигиенической точки зрения, озонирование – один из лучших способов обеззараживания питьевой воды. При высокой степени обеззараживания оно обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде.

Озон уничтожает известные микроорганизмы в 300–3000 раз быстрее, чем любые другие дезинфекторы. Озонирование не изменяет кислотность воды и не удаляет из неё необходимые человеку вещества. Остаточный озон быстро превращается в кислород (O_2) и обогащает им воду.

При озонировании не успевают возникнуть побочные вредные продукты реакции, по крайней мере, в заметных количествах.

Принципиальная технологическая схема озонирования воды: 1 – резервуар исходной воды; 2 – насос; 3 – массообменные аппараты; 4 – резервуар очищенной воды; 5 – генераторы озона; 6 – блок подготовки и сушки воздуха; 7 – деструктор озона (дегазатор).

Существуют некоторые недостатки применения озонирования, накладывающие соответствующие ограничения на его применение:

1. Метод озонирования технически сложен, требует больших расходов электроэнергии и использования сложной аппаратуры, для которой необходимо высококвалифицированное обслуживание.

2. Пролонгированное действие озона значительно меньше чем у хлора, благодаря его быстрому разрушению, поэтому повторное заражение воды при озонировании более вероятно, чем при хлорировании.

3. Озонирование может вызвать (особенно у высокоцветных вод и вод с большим количеством «органики») образование дополнительных осадков, поэтому нужно предусматривать после озонирования фильтрование воды через активный уголь. В результате озонирования образуются побочные продукты, включающие: альдегиды, кетоны, органические кислоты, броматы (в присутствии бромидов), пероксиды и другие соединения.

При воздействии на гуминовые кислоты, где есть ароматические соединения фенольного типа, может появиться и фенол.

Озон может вырабатываться только на месте потребления, поскольку его хранение и транспортировка невозможны. Для выработки озона нужен свободный газообразный кислород.

5. Олигодинамия

Олигодинамия – это воздействие ионов благородных металлов на микробиологические объекты. Говоря о олигодинамии, как правило, рассматривают три металла – золото, медь и серебро. Наиболее распространенным методом для практических целей является применение серебра, иногда используются бактерицидные растворы на основе меди. Золото не находит реального применения на практике, так как этот металл является очень дорогим.

5.1. Серебро

Серебро – химический элемент, относится к благородным металлам, обозачается символом Ag (от лат. Silver – светлый, белый, англ. Argentum, франц. Argent, нем. Silber). Имеет порядковый номер 47, атомный вес – 107,8, валентность – I. II, плотность – 10,5 г/см^3, температура плавления – 960,5 °С, кипения – 2210 °С.

Несмотря на то, что серебряные руды разбросаны по всему миру (Австралия, Перу, Япония, Канада), основным поставщиком серебра является Мексика. Серебро – хороший проводник тепловой энергии.

5.1.1. История

Серебро известно человечеству с древнейших времён, в своё время его добывали в виде самородков, т. е. не приходилось выплавлять из руд, и многие народы считали его священным металлом, например в Ассирии и Вавилоне. В Европе по количеству серебра судили о состоянии королей. В средние века серебро и его соединения были очень популярны среди алхимиков. Позднее из серебра изготавливают посуду, чеканят монеты, делают ювелирные украшения, сейчас применяют при изготовлении электрических контактов и печатных схем, источников питания.

Бактерицидное действие серебра также известно с древнейших времен. В древних индусских трактатах встречается описание об обряде кратковременного погружения в емкость с водой раскаленного серебра.

Основоположником научного изучения механизма действия серебра на микробную клетку является швейцарский ученый Карл Негель, который в 80-е гг. XIX в. установил, что взаимодействие ионов серебра (а не самого металла) с клетками микроорганизмов вызывает их гибель. Это явление он назвал олигодинамией (от греч. «олигос» – малый, следовой и «динамос» – действие, т. е. действие следов). Немецкий ученый Винцент, сравнивая активность некоторых металлов, установил, что наиболее сильным бактерицидным действием обладает серебро, меньшим – медь и золото. Так, дифтерийная палочка погибала на серебряной пластинке через три дня, на медной – через шесть дней, на золотой – через восемь.

5.1.2. Описание метода

Большой вклад в изучение антимикробных свойств «серебряной» воды, ее применения для обеззараживания питьевой воды и пищевых продуктов внес академик Л. А. Кульский. Его экспериментами, а позднее и работами других исследователей доказано, что именно ионы металлов и их диссоциированные соединения (вещества, способные в воде распадаться на ионы) вызывают гибель микроорганизмов. Доказано, что чем выше концентрация ионов серебра, тем больше его активность и бактерицидный эффект.

Научно доказано, что серебро в ионном виде обладает бактерицидным, противовирусным, выраженным противогрибковым и антисептическим действием и служит высокоэффективным обеззараживающим средством в отношении патогенных микроорганизмов, вызывающих острые инфекции. Эффект уничтожения бактерий препаратами серебра очень велик. Он в 1750 раз сильнее действия концентрированной карболовой кислоты и в 3,5 раза сильнее действия сулемы. По данным академика Академии наук УССР Л. А. Кульского, действие «серебряной» воды (при одинаковых концентрациях) значительнее действия хлора, хлорной извести, гипохлорида натрия и других сильных окислителей. По научным данным, всего 1 мг/л. серебра в течение 30 мин вызывал полную инактивацию вирусов гриппа А, В, Митре и Сендай. Уже при концентрации 0,1 мг/л серебро обладает выраженным фунгицидным действием.

«Серебряная» вода обладает бактерицидными свойствами при достаточно высоких концентрациях серебра, но при низких концентрациях серебро оказывает только бактериостатическое действия.

Однако, выбирая серебро в качестве обеззараживающего вещества, обязательно нужно помнить, что серебро – тяжелый металл. Как и другие тяжелые металлы, серебро способно накапливаться в организме и вызывать заболевания (аргироз – отравление серебром). В соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» допускается содержание в воде серебра не более 0,05 мг/л и СанПин 2.1.4.1116 – 02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества» – не более 0,025 мг/л.

Многие потребители по старинке сутками настаивают воду в доморощенных серебряных водных фильтрах, в емкостях с монетами, ложечками и украшениями, и действительно «серебряная» вода может храниться годами. Но что кроется за таким способом очистки воды от микроорганизмов?

«Серебряная» вода обладает бактерицидными свойствами, при достаточно высоких концентрациях серебра, около 0,015 мг/л. При низких концентрациях (10-4… 10-6 мг/л.), серебро оказывает только бактериостатическое действия, т. е. останавливает рост бактерий, но не убивает их. Спорообразующие разновидности микроорганизмов к серебру практически нечувствительны. Поэтому настаивание воды по старинке в доморощенных серебряных водных фильтрах, в емкостях с монетами, ложечками и украшениями не является гарантированным способом её обеззараживания.

Изложенные выше факты, таким образом, несколько ограничивают применение серебра. Оно может быть уместно только в целях сохранения исходно чистой воды для длительного хранения (например, на космических кораблях, в походах или при розливе бутилированной питьевой воды). Серебрение картриджей на основе активированного угля используют в бытовых фильтрах. Это делается с целью предотвращения обрастания фильтров микроорганизмами, так как отфильтрованные органические вещества являются хорошей питательной средой для многих бактерий.

5.1.3. Механизм воздействия

Сегодня существуют многочисленные теории, объясняющие механизм действия серебра на микроорганизмы. Наиболее распространенная – адсорбционная теория, в соответствии с которой клетка теряет жизнеспособность в результате взаимодействия электростатических сил, возникающих между клетками бактерий, имеющих отрицательный заряд, и положительно заряженными ионами серебра при адсорбции последних бактериальной клеткой.

Вораз и Тоферн (1957 г.) объясняли антимикробное действие серебра выведением из строя ферментов, содержащих SH- и СООН- группы, а K. Тонли, H. Вилсон – нарушением осмотического равновесия.

По другим теориям, происходит образование комплексов нуклеиновых кислот с тяжелыми металлами, вследствие чего нарушается стабильность ДНК и, соответственно, жизнеспособность бактерий.

Существует противоположное мнение, что серебро не оказывает прямого воздействия на ДНК клеток, а влияет косвенно, увеличивая количество внутриклеточных свободных радикалов, которые снижают концентрацию внутриклеточных активных соединений кислорода. Также допускают, что одной из причин широкого противомикробного действия ионов серебра является ингибирование трансмембранного транспорта Nа+ и Cа++.

На основании данных механизм действия серебра на микробную клетку следующий: ионы серебра сорбируются клеточной оболочкой, которая выполняет защитную функцию. Клетка еще остается жизнеспособной, но при этом нарушаются некоторые ее функции – например, деление (бактериостатический эффект). Как только серебро адсорбировалось на поверхности микробной клетки, оно проникает внутрь её, угнетает ферменты дыхательной цепи, а также разобщает процессы окисления в микробных клетках, в результате чего клетка гибнет.

Коллоидное серебро – продукт, состоящий из микроскопических частиц серебра, взвешенных в деминерализованной и деионизированной воде. Коллоидное серебро, которое получают электролитическим методом, естественный антибиотик, разрешенный к применению в США Федеральной комиссией по питанию и медикаментам еще в 1920 г. Эффективность бактерицидного действия коллоидного серебра объясняется его способностью подавлять работу фермента, с помощью которого обеспечивается кислородный обмен чужеродных простейших микроорганизмов, поэтому они и погибают из-за нарушения снабжения кислородом, необходимого для их жизнедеятельности.

5.1.4. Аппаратурное оформление

Приготовить «серебряную» воду в домашних условиях возможно, но не эффективно. Можно настаивать воду в серебряном сосуде, погрузить в емкость с водой серебряные предметы, украшения и т. п… В настоящее время «серебряную» воду производят в электрических приборах – ионаторах. Принцип действия ионатора серебра основан на электролитическом методе. Конструктивно прибор состоит из электролизера с серебряными электродами (серебро Ср 99,99) и блока питания, подключаемого к сети постоянного тока. При пропускании постоянного тока через погруженные в воду серебряные (или серебряно-медные) электроды серебряный электрод (анод), растворяясь, насыщает воду ионами серебра. Концентрация полученного раствора при заданной силе тока зависит от времени работы источника тока и объема обрабатываемой воды. Если грамотно подобрать ионатор, то остаточное содержание растворённого в воде серебра не превысит предельной дозы 10-4…10-5 мг/л (при этом в контактном слое серебрения воды концентрации могут достигать значения 0,015 мг/л), что позволяет осуществлять одновременно бактерицидную и бактериостатическую обработку воды. В табл. 4 приведены условия получения «серебряной» воды на примере ионатора «ЛК-41» (источник питания ионатора – элекотросеть переменного тока напряжением 220 В, ток нагрузки, мА 0±20 %, масса серебра, переводимого ионатором в водный раствор за 1 минуту, мг 0,4±20 %, температура обрабатываемой воды от 1 до 40 °С).

Таблица 4

Готовые растворы серебра необходимо хранить в темном месте или в непрозрачной закрытой посуде, так как на свету ионы серебра восстанавливаются до металла, раствор темнеет, а серебро – выпадает в осадок.

Начало выпуска ионаторов в России относится к далекому 1939 г, когда началось серийное производство стационарных ионаторов, переносных и дорожных серий ЛК. Производство продолжается и сейчас.

Сейчас на российском рынке представлены ионаторы разных производителей и конструктивного исполнения, с электронным управление и самые простые автономные карманные: «Невотон ИС», «Пингвин», «Сильва», «Дельфин», «ЛК», «Акватай» и др.

При работе ионатора на серебряных пластинах выделяется распыленное серебро черного цвета, которое на качество приготавливаемого раствора не влияет. В растворе серебра после отключения ионатора процесс уничтожения бактерий происходит не сразу, а в течение времени, указанного в графе время выдержки.

5.1.5. Применение активных углей и катионитов, насыщенных серебром

В настоящее время активированный уголь используется во многих процессах очистки воды, пищевой промышленности, в процессах химических технологий. Основное назначение угля – это адсорбции органических соединений. Именно отфильтрованные органические вещества являются идеальной питательной средой для размножения бактерий при остановке движения воды. Нанесение серебра на активированный уголь препятствует росту бактерий внутри фильтра благодаря бактерицидным свойствам этого металла. Технология нанесения серебра на поверхность угля уникальна тем, что серебро не смывается с поверхности угля в процессе фильтрования. В зависимости от производителя, вида исходного сырья, марки угля на поверхность наносят 0,06–0,12 % массовых серебра.

На российском рынке представлены активированные угли с нанесенным серебром производителей: С-100 Ag или С-150 Ag фирмы Purolite; AGС производится на базе активированного угля 207С компанией Chemviron Carbon; российские производители предлагают УАИ-1, изготавливаемый из древесного активного угля БАУ-А; угли марки КАУСОРБ-213 Ag и КАУСОРБ-222 Ag получены из активных углей марок КАУСОРБ-212 и КАУСОРБ-221 и т. д.

Серебросодержащие катиониты предназначены для умягчения и обеззараживания воды в установках небольшой производительности. В качестве примеров можно привезти смолу отечественного производства КУ-23СМ и КУ-23СП, С100Е Аg – смола фирмы «Пьюролайт».

Несмотря на достаточно высокую эффективность олигодинамии в целом, нельзя говорить об абсолютной универсальности этого способа. Дело в том, что целый ряд вредных микроорганизмов оказывается вне зоны его действия – многие грибы, бактерии (сапрофитные, спорообразующие). Тем не менее пропущенная через такой фильтр, вода обычно долго сохраняет свои бактерицидные свойства и чистоту.

5.2. Медь

Медь – химический элемент, обозначается символом Сu. Название элемента происходит от названия острова Кипр (лат. Cuprum), на котором изначально добывали медь. Имеет порядковый номер 29, атомный вес – 63,546, валентность – I, II, плотность – 8,92 г/см^3, температура плавления – 1083,4 °С, кипения – 2567 °С.

Медь – мягкий, ковкий металл красного цвета, обладает высокой тепло– и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра).

Медь встречается в природе как в различных соединениях, так и в самородном виде. Существуют различные сплавы меди, самые известные из них латунь – сплав с цинком, бронза – сплав с оловом, мельхиор – сплав с никелем и др., как присадка медь присутствует в баббитах.

Медь широко распространена в электротехнике (из-за ее низкого удельного сопротивления) для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Ее широко применяют в различных теплообменниках, к которым относятся радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления из-за очень важного свойства меди – высокой теплопроводности.

Некоторые соединения меди могут быть токсичны при превышении предельно допустимых концентраций в пище и воде. Содержание меди в питьевой воде также регламентируется СанПиН 2.1.4.1074-01 и не должно превышать 2 мг/л. Лимитирующий признак вредности вещества, по которому установлен норматив, – санитарно-токсикологический.

Уровень меди в питьевой воде обычно достаточно низкий и составляет несколько микрограмм на литр. Ионы меди придают воде отчётливый «металлический вкус». Порог чувствительности органолептического определения меди в воде составляет приблизительно 2–10 мг/л.

5.2.1. История

Об антибактериальных свойствах меди известно очень давно. В древней Руси для медицинских целей применяли, так называемую, «колокольную» воду. Получали её во время литья колоколов, когда еще раскаленную отливку остужали в емкостях, наполненных водой. Колокола отливали из бронзы – сплава меди и олова, а для улучшения их звучания в этот сплав добавляли серебро. За время остывания вода обогащалась ионами меди, олова и серебра.

Совместное действие ионов меди и серебра превосходит силу «серебряной» воды, даже если в последней концентрация ионов серебра в несколько раз выше. Важно понимать, что даже «колокольная» вода, если ее применять бесконтрольно, может нанести большой вред организму.

Медь и ее сплавы иногда применяют для местного обеззараживания воды, чаще для обеззараживания в бытовых и походных условиях, обогащая воду ионами меди.

Издревле было также замечено, что вода, хранящаяся или перевозимая в медных сосудах, была, более высокого качества и долго не портилась, в отличие от воды, содержащейся или перевозимой в сосудах из других материалов (в такой воде не происходило видимого образования слизи).

Существует огромное количество исследовательских работ, подтверждающих бактерицидные свойства меди.

5.2.2. Механизм воздействия

Исследования по выяснению механизма антибактериального действия меди проводили еще в давние времена. Например, в 1973 г. ученые из лаборатории «Колумбус Баттел» провели всесторонний научный и патентный поиск, в котором собрали всю историю исследования бактериостатических и дезинфицирующих свойств меди и поверхностей медных сплавов за период 1892–1973 гг.

Было сделано открытие, а в дальнейшем подтверждено, что поверхности медных сплавов обладают особым свойством – уничтожать широкий спектр микроорганизмов.

Последние 10 лет интенсивно проводились исследования по воздействию меди на возбудителей внутрибольничных инфекций: кишечной палочки, метициллин-устойчивой формы золотистого стафилококка (MRSA), вируса гриппа А, аденовируса, патогенных грибков и пр. Исследования, проводимые в Америке, показали, что поверхность медного сплава (зависит от марки сплава) способна убить кишечную палочку через 1–4 ч контакта, при этом популяции кишечной палочки погибают на 99,9 %, в то время как, например, на поверхности из нержавеющей стали микробы могут выживать в течение недели.

Латунь, из которой часто делают дверные ручки и нажимные пластины, тоже обладает бактерицидным эффектом, но для этого требуется более продолжительное время экспозиции, чем для чистой меди.

В 2008 г. после длительных исследований Федеральное агентство по охране окружающей среды США (US ЕРА) официально присвоило меди и её нескольким сплавам статус материала, обладающего бактерицидной поверхностью.

5.2.3. Аппаратурное оформление

Медь и ее сплавы иногда применяют для местного обеззараживания воды (если нет других, более подходящих способов и реактивов, дающих гарантированный обеззараживающий эффект). Чаще ее применяют для обеззараживания воды в бытовых и походных условиях, обогащая воду ионами меди.

На рынке представлено несколько типов ионаторов – устройств, использующих принцип гальванической пары и электрофореза. В качестве второго электрода, обеспечивающего разность потенциалов, используется золото. При этом золото тонким слоем наносится на специальную подложку электрода, полностью делать электрод из одного золота не имеет смысла, поэтому внутренняя часть электрода изготавливается из сплава меди и серебра в определенном соотношении, как правило, сплав 17/1. Конструктивно это может быть простая пластина из медно-серебряного сплава (17/1) с вкраплениями золота, или более сложный прибор проточного типа с микроконтроллерным устройством управления.

6. Ультрафиолетовое обеззараживание

6.1. Описание метода

Электромагнитное излучение в пределах длин волн от 10 до 400 нм называется ультрафиолетовым.

Для обеззараживания природных и сточных вод используют биологически активную область спектра УФ-облучения с длиной волны от 205 до 315 нм, называемую бактерицидным излучением. Наибольшим бактерицидным действием (максимум вирулицидного действия) обладает электромагнитное излучение на длине волны 200–315 нм и максимальным проявлением в области 260±10 нм. В современных УФ-устройствах применяют излучение с длиной волны 253,7 нм.

а – кривая бактерицидного действия ультрафиолета б – кривая бактерицидного действия ультрафиолета и спектры поглощения ДНК и протеина

Метод УФ-дезинфекции известен с 1910 г., когда были построены первые станции для обработки артезианской воды во Франции и Германии. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется происходящими под их воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекулы ДНК и РНК, составляющими универсальную информационную основу механизма воспроизводимости живых организмов.

Результат этих реакций – необратимые повреждения ДНК и РНК. Кроме того, действие УФ-излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Всё это в конечном итоге приводит к их гибели.

Механизм обеззараживания УФ-облучением основан на повреждении молекул ДНК и РНК вирусов. Фотохимическое воздействие предполагает разрыв или изменение химических связей органической молекулы в результате поглощения энергии фотона. Имеют место также вторичные процессы, в основе которых лежит образование в воде под действием УФ-облучения свободных радикалов, которые усиливают вирулицидный эффект.

Степень инактивации или доля погибших под воздействием УФ-излучения микроорганизмов пропорциональна интенсивности излучения и времени воздействия.

Произведение интенсивности излучения и времени называется дозой облучения (мДж/см^2) и является мерой вирулицидной энергии. Из-за различной сопротивляемости микроорганизмов доза ультрафиолета, необходимая для их инактивации на 99,9 %, сильно варьируется от малых доз для бактерий до очень больших доз для спор и простейших.

Схема установки для УФ-обеззараживания воды

6.2. Доза излучения

Основными факторами, влияющими на эффективность обеззараживания природных и сточных вод УФ-облучением, являются:

– чувствительность различных вирусов к действию УФ-облучения;

– мощность лампы;

– степень поглощения УФ-облучения водной средой;

– уровень взвешенных веществ в обеззараживаемой воде.

Различные виды вирусов при одинаковых условиях облучения различают по степени чувствительности к УФ-облучению. Дозы облучения, необходимые для инактивации отдельных видов вирусов на 99,0–99,9 %, приведены в табл. 5.

Таблица 5

(Информация приведена по данным МУК 43.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением»).

При прохождении через воду УФ-излучение ослабевает вследствие эффектов поглощения и рассеивания. Степень поглощения определяется физико-химическими свойствами обрабатываемой воды, а также толщиной её слоя. Для учёта этого ослабления вводится коэффициент поглощения водой α, значение которого зависит от качества воды, особенно от содержания в ней железа, марганца, фенола, а также от мутности воды. Коэффициенты поглощения ультрафиолета питьевой водой, полученной из подземных источников водоснабжения, имеют значения 0,05–0,20, а из поверхностных – 0,15–0,30.

Как правило, чтобы обеззараживание воды проходило эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям: прозрачность – не ниже 85 %; количество взвешенных частиц – не более 1 мг/л; жесткость – менее 7 ммоль/л; общее содержание железа – не более 0,3 мг/л; марганца – не более 0,1 мг/л; содержание сероводорода – не более 0,05 мг/л; твердых взвешенных частиц – менее 10 мг/л; мутность – не более 2 мг/л по каолину; цветность – не более 35 градусов; число бактерий группы кишечной палочки не более 10 000 в 1 л.

Поэтому во всех случаях, когда качество воды отличается от стандарта на питьевую воду, выбор УФ-оборудования должен производиться специалистами.

При уф-облучении воды не существует проблемы передозировки-повышение дозы не приводит к неблагоприятным изменениям свойств воды и образованию побочных продуктов.

В мировой практике требования к минимальной дозе облучения варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см^2, что обусловлено необходимостью обеспечения определенной степени инактивации в отношении вирусов и цист простейших. Практика и исследования, проведенные в России, позволяют выбирать дозу облучения в диапазоне от 16 до 45 мДж/см^2, в зависимости от физико-химического качества воды, вида источника водоснабжения, количества и типа микроорганизмов в обеззараживаемой воде. Для достижения необходимого эффекта обеззараживания УФ-облучение должно применяться в дозе: не менее 16 мДж/см^2 для воды из подземных источников I класса и питьевых вод; не менее 25 мДж/см^2 для воды из подземных источников II, III класса и поверхностных источников; не менее 30 мДж/см^2 для бытовых и городских сточных вод; не менее 40 мДж/см^2 для любого типа вод при неблагоприятной эпидемической ситуации. Под неблагоприятной эпидемической ситуацией подразумевают систематическое обнаружение колифагов в питьевой воде и энтеровирусов в источнике и питьевой воде и (или) наличие водных вспышек энтеровирусных заболеваний.

Рекомендуемые дозы облучения в зависимости от качества воды по данным МУК 4.3.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением» приведены в табл. 6.

При УФ-облучении воды не существует проблемы передозировки. Повышение дозы не приводит к гигиенически значимым неблагоприятным изменениям свойств воды и образованию побочных продуктов.

Совместное применение УФ-облучения и хлора при подготовке питьевой воды повышает надежность обеззараживания в отношении вирусов.

6.3. Аппаратурное оформление

УФ-стерилизатор представляет собой металлический корпус, внутри которого находится бактерицидная лампа. Она в свою очередь помещается в защитную кварцевую трубку, вода омывает её, обрабатывается ультрафиолетом и, соответственно, обеззараживается. В одной установке может быть несколько ламп.

Современные конструкции ламп обеспечивают необходимую мощность излучения на длине волны 253,7 нм, и этой мощности достаточно, чтобы в течение 3–5 с бактерицидное действие было максимальным.

Эффективность уничтожения бактерий и вирусов при этом составляет 99,9 %. При таком значении длины волны защитные чехлы должны изготавливаться из специальных материалов (увиолевое стекло, флюорит, кварцевое стекло и др.), так как, например, обычное оконное стекло непрозрачно для УФ-лучей с длиной волны меньше 320 нм.

Для оперативного санитарного и технологического контроля эффективности и надежности обеззараживания воды ультрафиолетом, как и при хлорировании и озонировании, применяется определение бактерий кишечной палочки (БГКП). Их использование для контроля качества воды, обработанной ультрафиолетом, основывается на том, что основной вид этой группы бактерий Е-coli обладает одним из самых больших коэффициентов сопротивляемости к этому типу воздействия в общем ряду энтеробактерий, в том числе и патогенных.

6.4. Рынок ультрафиолетовых обеззараживателей

На российском рынке водных технологий широко представлены как отечественные, так и зарубежные производители УФ-оборудования. Однако даже самое современное оборудование при неправильной эксплуатации может оказаться неэффективным. Наличие единых требований к конструкции и условиям применения УФ-оборудования позволяет, вне зависимости от производителя унифицировать контроль за ним, повысить качество продукции и надежность технологии.

Основное назначение данных требований – контроль за обеспечением требуемой дозы облучения, т. е. за эффективностью обеззараживания.

Помимо указанных общих технических требований, для каждого типа воды рекомендуются свои дозы облучения и условия применения.

Основным элементом установки УФ-обеззараживания является специальная лампа, которая и является источником УФ-излучения. Очень важными динамическими характеристами УФ-лампы являются скорость изменения мощности и срок службы источника излучения. Как показывает практика, в конце своего срока службы мощность излучения лампы составляет всего четверть от номинального значения.

Таблица 6

* Колифаги выделяют без концентрирования.

Известными производителями УФ-ламп являются AtlanticUltraviolet (США), UV-technik (Германия), Hanovia (Великобритания), TUV фирмы Philips (Голландия), которые имеют гарантированный срок службы в непрерывном режиме до 12 тыс. ч, со спадом мощности бактерицидного потока после 5 тыс.ч. – не более 15 %.

Отечественная промышленность выпускает ртутные лампы низкого давления мощностью от 10 до 100 Вт (например, марки ДБ).

Изделия названных компаний используются многими отечественными и зарубежными производителями, выпускающими установки для обеззараживания воды.

На рынке представлены УФ-обеззараживатели российского производства компаний: НПО «ЛИТ», ЗАО «Сварог» – установки серии «Лазурь-М», НПО «ЭНТ», ЗАО «Роса-Центр» и др. Иностранные обеззараживатели представлены марками AquaPro (Тайвань), Bewades (компания BWT, Германия), канадской компании R-CAN Sterilight (R-CAN, Канада), Wedeco (Германия) и др.

6.5. Место установки ультрафиолетового обеззараживателя в схеме очистки воды

Поскольку наличие взвешенных частиц, железа, солей жесткости снижает эффективность ультрафиолетового излучения, то в схеме очистки воды обеззараживатель ставится как последняя стадия очистки (прил. 1, рис. 2).

6.6. Положительные и отрицательные качества метода

Достоинствами метода:

– наименее «искусственный» – ультрафиолетовые лучи;

– универсальность и эффективность поражения различных микроорганизмов – ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и спорообразующие бактерии, которые при хлорировании обычными нормативными дозами хлора сохраняют свою жизнеспособность;

– физико-химический состав обрабатываемой воды сохраняется неизмененным;

– отсутствие ограничения по верхнему пределу дозы;

– не требуется организовывать специальную систему безопасности как при хлорировании и озонировании;

– отсутствуют вторичные продукты;

– не нужно создавать реагентное хозяйство;

– оборудование работает без специального обслуживающего персонала.

Недостатки метода:

– падение эффективности при обработке плохоочищенной воды (мутная, цветная вода плохо «просвечивается»);

– периодическая отмывка ламп от налетов и осадков, требующаяся при обработке мутной и жесткой воды;

– отсутствует «последействие», т. е. не исключается возможность вторичного (после обработки излучением) заражения воды.

7. Сравнение основных методов обеззараживания

Нужно понимать, что не существует одного самого универсального или самого правильного метода обеззараживания воды. Каждый из методов может обеспечить обеззараживание только при правильно подобранных условиях, так как каждый из методов имеет свои ограничения по применению.

Ниже приведено сравнение трех основных методов обеззараживания воды хлорирование, озонирование и УФ обеззараживание:

• Каждая из трех технологий, если она применяется в соответствии с нормами, может обеспечить необходимую степень инактивации бактерий, в частности, по индикаторным бактериям группы кишечной палочки и общему микробному числу.

• По отношению к цистам патогенных простейших высокую степень очистки не обеспечивает ни один из методов. Для удаления этих микроорганизмов рекомендуется сочетать процессы обеззараживания с процессами уменьшения мутности.

• Озон и ультрафиолет имеют достаточно высокий вируцидный эффект при реальных для практики дозах. Метод хлорирования менее эффективен в отношении вирусов.

• Технологическая простота процесса хлорирования и недефицитность хлора обусловливают широкое распространение именно этого метода обеззараживания.

• Метод озонирования является наиболее технически сложным и дорогостоящим по сравнению с хлорированием и УФ-обеззараживанием.

• УФ-излучение не меняет химический состав воды даже при дозах, намного превышающих практически необходимые. Хлорирование может привести к образованию нежелательных хлорорганических соединений, обладающих высокой токсичностью и канцерогенностью. При озонировании также возможно образование побочных продуктов, классифицируемых нормативами как токсичные – альдегиды, кетоны и другие алифатические и ароматические соединения.

• Ультрафиолетовое излучение убивает микроорганизмы, но образующиеся «осколки» клеточные стенки бактерий, грибков, фрагменты вирусов) остаются в воде, поэтому рекомендуется ее последующая фильтрация.

• Только хлорирование обеспечивает консервацию воды в дозах 0,3–0,5 мг/л, т. е. обладает необходимым длительным действием.

Сочетание УФ-обеззараживания с последующим хлорированием малыми дозами обеспечивает не только обеззараживание воды, но и отсутствие вторичного биозагрязнения воды.

В настоящее время большинство исследователей и практиков отдают предпочтение двухстадийной организации процесса обеззараживания питьевой воды. На первой стадии обработку воды ведут с помощью озона – на этой стадии происходит обеззараживание воды и достигается глубокая окислительная деструкция органических примесей. На заключительной стадии, непосредственно перед подачей воды в распределительную сеть, проводят, так называемое, финишное обеззараживание с помощью хлорирующих реагентов, обладающих длительным действием, что обеспечивает устойчивость воды к повторному инфицированию. При использовании такой комбинированной схемы обеззараживания воды возможно значительное сокращение дозировки хлорирующих реагентов в 8–10 раз, что приводит, соответственно, и к уменьшению содержащихся в воде хлорированных углеводородов.

Сочетание УФ-обеззараживания с последующим хлорированием малыми дозами обеспечивает не только обеззараживание воды, но и отсутствие вторичного биозагрязнения воды и, как следствие, сокращает расходы на реагенты и приводит к экономии средств пользователя. Исходя из вышеизложенного, видно, что именно такой метод является наиболее эффективным способом обеззараживания воды.

8. Термический метод

Кипячение – процесс доведения воды до точки кипения в целях очистки воды и ее обеззараживания.

Из физических способов обеззараживания воды наиболее распространенным и легко реализуемым в домашних условиях является кипячение. Это, наверное, самый старый и хорошо известный метод, которым мы пользуемся ежедневно.

Кипячение применяли десятки тысяч лет, и даже сейчас этот метод не потерял своей актуальности. Метод используется для обеззараживания малых объемов воды: в быту, полевых условиях, лабораториях, малых водоочистных установках и других подобных случаях. Так, например, если вы находитесь в путешествии или в походе и у вас не оказалось с собой воды, вы можете прокипятить воду из реки. При этом большинство бактерий будут уничтожены.

Кипячением уничтожается большинство бактерий, вирусов, бактериофагов и других биологических объектов, которые часто содержатся в открытых источниках воды, и, как следствие попадают в системы центрального водоснабжения.

Этот метод легко реализуется, не требует сложного и дорогого оборудования. Все, что нужно, – не боящаяся высоких температур посуда и источник тепла – газовая конфорка, электрокипятильник или костер.

Недостатком этого метода является невозможность определения, когда пора заканчивать кипятить воду, т. е. определить время, когда все болезнетворные микроорганизмы погибнут. Большинство бактерий погибает при температуре выше 50 °С. Это происходит потому, что сворачиваются белки, из которых они устроены. С другой стороны, в природе существуют и стойкие к кипячению бактерии.

При кипячении воды в открытом объеме удаляются растворенные в ней газы (кислород, углекислый газ) и уменьшается ее жесткость. Всем известна накипь, которая оседает на стенках чайников после кипячения воды. Эта накипь представляет собой соли жесткости, которые были растворены в воде до того, как ее прокипятили. В результате кипячения вода становится более мягкой. Происходит это потому, что из нее удаляются соли, так называемой, «временной (карбонатной) жесткости». Однако кипячением невозможно удалить соли железа, а также кадмий, ртуть, нитраты.

Таким образом, при кипячении воды разрушаются хлор и хлорсодержащие соединения, выпадают в осадок коллоидные частицы примесей и соли, вода умягчается (соли жесткости выпадают в осадок), уменьшается содержание легколетучих компонентов, уничтожаются болезнетворные микробы, опасные бактерии, вирусы и возбудители различных заболеваний. Вкусовые качества воды при кипячении меняются мало.

Обычно кипячение сводится лишь к доведению воды до кипения. Однако при недлительном кипячении невозможно достичь того результата, который дает кипячение как метод очистки воды. Простого доведения воды до кипения недостаточно для того, чтобы обеззаразить ее. Для этого необходимо кипятить воду не менее 10–15 мин. Только при этом значительная часть микроорганизмов погибнет. Однако следует учесть, что, например, вирус «Гепатита А» (в народе – желтухи) погибнет только тогда, когда воду прокипятят не менее 25–30 мин. При кратковременном кипячении некоторые микроорганизмы, их споры, яйца гельминтов также могут сохранить жизнеспособность (особенно если микроорганизмы адсорбированы на твердых частицах).

Кипячение является исключительно бытовым методом обеззараживания воды, применение кипячения в промышленных масштабах, конечно же, не представляется возможным ввиду высокой стоимости этого метода.

9. Ультразвуковое воздействие

Потребность в изучении ультразвука как одной из областей такой науки, как физика, было связано с потребностями морского флота. Начало изучению ультразвука заложил французский ученый Савар, который при определении предела слышимости человека обнаружил существование звуков, не воспринимаемых человеческим ухом. Более подробные исследования свойств ультразвука были начаты уже в XIX в. Большой скачок в развитии ультразвуковой техники произошел после открытия братьями Кюри в 1880 г. пьезоэлектрического эффекта. После открытия этого явления в 1883 г. был построен первый ультразвуковой генератор, а ультразвук стали использовать в различных областях техники.

9.1. Описание метода

По своей физической сути ультразвук представляет собой упругие колебания наподобие обычных звуковых, но с большей – от 20 до 106 кГц – частотой. Частотой колебаний обусловлены уникальные свойства ультразвука при его распространении в воде. Это проявляется в дисперсии (рассеивании) звука, а также в образовании зон разрежений и уплотнений, образующих своеобразную дифракционную картину.

Другая, чрезвычайно важная особенность ультразвука – достижение очень большой колебательной скорости при небольших амплитудах. Передаваемый ультразвуком поток энергии характеризуется высокой плотностью и вызывает кавитацию – цепную реакцию возникновения, роста и распространения каверн – пузырьков газа с высоким внутренним давлением. Микровзрывы кавитационных каверн, происходящие при их попадании в области локального разряжения, сопровождаются возникновением гидравлических ударов и новых газовых пузырьков. Кавитация в воде наступает уже при частоте колебаний 20 кГц и плотности потока энергии 0,3 Вт/см^2.

Обеззараживание воды ультразвуком основано на использовании явления кавитации. Бактерицидное действие ультразвука сильно зависит от интенсивности колебаний. Для полного уничтожения патогенной микрофлоры, включая ряд спор и грибков, необходимы достаточно большие дозы поглощенной энергии, обеспечить которые при широком практическом применении метода затруднительно. Поэтому ультразвуковое воздействие целесообразно применять в комбинации с каким-либо другим видом обработки воды, например УФ-облучением.

В качестве примера реализации данного метода подготовки воды можно упомянуть серию установок «Лазурь-М» производства компании «Сварог», в которой излучение с длиной волны 253,7 и 185 нм воздействует на воду в комбинации с ультразвуковыми волнами.

9.2. Аппаратурное оформление

В технике ультразвук получают с помощью генераторов, которые можно условно разбить на две группы. К первой относятся механические излучатели, обладающие невысоким КПД и широким спектром излучаемых частот, что сильно ограничивает область их использования. Вторую, основную, группу ультразвуковых генераторов составляют преобразователи, которые тем или иным способом преобразуют электрические колебания в механические. Для получения низкочастотных колебаний используются электрические излучатели, работающие на основе эффекта магнитострикции с сердечниками из никеля, ферритов и других сплавов.

Сдерживающим фактором применения обеззараживания ультразвуком является отсутствие нормативно подтвержденных критериев и методов контроля эффективности процесса.

Магнитострикционные излучатели представляют собой цилиндрические или кольцевые сердечники с обмоткой, через которую пропускается переменный электрический ток определенной частоты. Получение ультразвука средней и высокой частоты производится главным образом за счет использования пьезоэлектрического эффекта: колебания генерируются пластинами из специальных материалов (кристаллы кварца, ниобата лития и дигидрофосфата калия), на которые и воздействует переменное электрическое поле. Во всех видах излучателей для увеличения интенсивности излучения применяют ультразвуковую фокусировку, а для повышения амплитуды – концентраторы излучения. В этом проявляется их схожесть с рядом оптических приборов.

В настоящее время областями широкого применения ультразвука являются водоснабжение и водоподготовка. Кроме общих приемов обнаружения трещин и других повреждений в трубопроводах и технологическом оборудовании с помощью методов ультразвуковой дефектоскопии, ультразвук применяется в контрольно-измерительных приборах для определения и расхода жидкости в напорных и безнапорных каналах. Важное место занимает также ультразвуковая обработка оборудования для удаления минеральных отложений, обеззараживания питьевой воды и удаления из нее загрязнений. Один из примеров такого применения – удаление из воды примесей железа, марганца, а также растворенных газов. Ультразвуковое воздействие на воду предотвращает рост кристаллов нерастворимых солей до размеров, необходимых для их выпадения в осадок. При этом минеральные отложения не группируются на твердых поверхностях, а образуют мелкодисперсный шлам.

Очистка воды ультразвуком считается одним из новейших методов дезинфекции.

9.3. Положительные и отрицательные качества метода

На качество обеззараживание воды ультразвуком не влияют такие параметры, как высокая мутность и цветность воды, характер и количество микроорганизмов, а также наличие в воде растворенных веществ. Степень обеззараживания воды зависит только от интенсивности ультразвуковых колебаний.

Сдерживающим фактором применения этого метода является отсутствие нормативно подтвержденных критериев и методов контроля эффективности процесса обеззараживания.

В настоящее время проводятся работы по установлению зависимости степени инактивации различных групп микроорганизов от мощности ультразвукового воздействия, а также условий, влияющих на процессы обеззараживания.

Отсутствие нормативных документов, регламентирующих использование метода, а также большие затраты делают способ ультразвукового обеззараживания неконкурентоспособным для промышленного использования.

10. Электрохимический метод обеззараживания

При реализации электрохимических способов подготовки воды обеспечивается обеззараживание жидкости, так как электролиз водных растворов практически всегда сопровождается образованием в объеме электролита сильных дезинфектантов. Наложение электрического поля на обрабатываемую жидкость может вызвать необратимое агрегатирование микроорганизмов, что позволяет их отделять на фильтре для грубодисперсных примесей.

В качестве средства для дезинфекции воды наибольшее распространение и популярность получили хлор и его кислородные соединения. Электрохимическое производство хлора из хлоридных растворов с последующим его растворением в объеме электролита приводит к образованию мощных бактерицидных агентов HClO и СlO- – хлорноватистой кислоты и гипохлорит иона, соответственно. В последние годы наибольшее применение находят электролизные установки, позволяющие получить реагенты для обеззараживания воды непосредственно на месте потребления. Часто в качестве сырья используются хлоридные растворы естественного происхождения – подземные минерализованные воды и морская вода.

Применяют два способа электрохимического обеззараживания: получение гипохлорита натрия электролизом с последующим введением его в обрабатываемую воду, и непосредственный электролиз обрабатываемой воды. Получение гипохлорита натрия в электролизере производят в периодическом или непрерывном режимах. При периодическом режиме работы исходный раствор соли заливают в непроточный электролизер, проводят электролиз до получения требуемой концентрации гипохлорита натрия, а затем сливают в бак-накопитель и дозировано используют его по мере необходимости.

Проточный режим предусматривает непрерывный электролиз раствора хлорида натрия с одновременным дозированием гипохлорита в обрабатываемую воду.

Оборудование для реализации электрохимического метода приведено в разделе 5, данного издания.

Схема установки для получения гипохлорита натрия путем электролиза растворов поваренной соли, морских, солоноватых вод и других хлоридсодержащих растворов.

11. Мембранные методы

Поскольку все микроорганизмы характеризуются определенными размерами, то, пропуская воду через фильтрующую перегородку, размеры пор которой меньше, чем эти микроорганизмы, мы можем полностью очистить от них воду.

Поэтому фильтрующие элементы, имеющие размер пор менее 1 мкм, можно использовать для удаления бактерий, но не вирусов. Для процессов, когда требуется отсутствие любых микроорганизмов, применяют фильтры с порами размером не более 0,1–0,2 мкм.

Ниже мы остановимся на очистке воды по технологии обратного осмоса.

11.1. Технология обратного осмоса

Осмос как физическое явление был открыт французским физиком Ж. Нолле в 1748 г., именно в опытах с органической мембраной (бычьим пузырем). Мембрана (от лат.:membrana – перепонка – тонкая пленка).

В жизни растительных и животных организмов мембраны играют важнейшую роль. Любая клетка организмов окружена биологической мембраной, имеющей белково-липидную структуру молекулярных размеров (толщина не более 100 Å).

Мембраны организмов проницаемы и способствуют обводнению клеток и межклеточных структур, регулируют в клетках концентрацию разных веществ: солей, сахаров, аминокислот и др.

Метод обратного осмоса появился в 1953 г., когда Рейдом и Бретоном (США) были открыты полупроницаемые свойства ацетилцеллюлозных мембран. В дальнейшем была разработана технология изготовления мембран из раствора ацетилцеллюлозы в ацетоне и формамиде, были изготовлены мембраны, которые можно хранить длительное время в сухом виде, а также мембраны в виде полых волокон и составные мембраны.

Таким образом, более 50-ти лет назад начала развиваться принципиально иная технология очистки воды – мембранная технология. Она основана на пропускании воды под давлением через полупроницаемую мембрану и разделении воды на два потока: фильтрат (очищенная вода) и концентрат (концентрированный раствор примесей). Мембрана является главным элементом системы обратного осмоса.

Установление равновесия между концентрациями растворов по обе стороны мембраны происходит под действием осмотического давления, значение которого может достигать больших значений. Например, для океанской воды с минерализацией 35 г/л это давление равно 2,55 МПа, в организме морских животных – 0,665–0,755 МПа, а у солончаковых растений – 8,0 МПа.

Предложено несколько гипотез, объясняющих некоторые факторы осмоса, но единой теории пока нет.

Отсутствие теории, как и в некоторых других областях водоподготовки, не помешало все более растущему применению явления обратного осмоса для обработки воды.

Современные обратноосмотические мембраны – композитные – состоят из нескольких слоев. Общая толщина 10–150 мкм, причем толщина собственно селективного слоя, который определяет селективность мембраны, – не более 1 мкм. В состав конструкции входит турбулизирующая сетка между мембранами.

Для бытовых систем обратного осмоса срок службы мембранного элемента при правильной эксплуатации и своевременной замене фильтров предварительной очистки – 2–3 года. Мембрана задерживает все бактерии и вирусы, большую часть растворенных солей и органических веществ (в том числе железо и гумусовые соединения, придающие воде цветность, и патогенные вещества), пропуская лишь молекулы воды, небольших органических соединений и легких минеральных солей (RO мембраны задерживают 97–99 % всех растворенных веществ). Такие мембраны используются во многих отраслях промышленности, где есть необходимость в получении воды высокого качества (разлив воды, производство алкогольных и безалкогольных напитков, пищевая промышленность, фармацевтика, электронная промышленность и т. д.).

11.2. Материал мембран и конструкции аппаратов

Мембраны изготавливаются из полимерных материалов: целлюлозы и ее эфиров, полиамидов, полиолефинов, сополимеров акрилонитрила с винилхлоридом, поливинилхлорида. Применяются и керамики, и металлы.

Мембранные аппараты изготавливают четырех типов.

Плоскокамерные: мембранный элемент состоит из двух плоских мембран с расстоянием между ними 1,5–5,0 мм. В этом промежутке расположен пористый дренажный материал.

Трубчатые: аппарат состоит из пористых трубок диаметром 5–20 мм. Материал, который служит мембраной, наносится на поверхность трубки (внутреннюю или наружную).

Рулонные: мембранный элемент имеет вид пакета, три кромки которого герметизированы, а четвертая крепится к перфорированной трубке для отвода пермеата. По окружности трубки таких пакетов несколько, все они вместе с сетками накручиваются на трубку. Разделяемая вода движется в продольном направлении по межмембранным каналам, а пермеат поступает в отводящую трубку.

Волоконные: мембранный элемент имеет вид полого волокна. Аппарат представляет собою цилиндр, заполненный пучком пористых полых волокон с наружным диаметром 80–100 мкм и толщиной стенки 15–30 мкм. Разделяемая вода омывает наружную поверхность волокна, а по его внутреннему каналу выводится пермеат.

Бытовые системы обратного осмоса имеют небольшие размеры и помещаются под кухонной мойкой. Для их работы требуется давление 2,5– бар. Основными блоками бытовой системы обратного осмоса являются: префильтры, защищающие мембрану от растворенных частиц хлора, органических веществ; сам мембранный элемент рулонного типа, накопительный бак для хранения очищенной воды и постфильтр.

11.3. Условия применения мембран

Все мембраны нуждаются в защите от взвешенных примесей, коллоидов и др.

Поэтому перед обратноосмотическими мембранами качество и параметры исходной воды должны соответствовать определенным требованиям по мутности, перманганатной окисляемости, содержанию нефтепродуктов, железа, минерализации и некоторым другим.

Для бытовых мембранных фильтров, где, как правило, в качестве исходной используется водопроводная вода, предочистка перед мембранами упрощается, но в любом случае необходимы патронные фильтры с пористостью 5 мкм.

Необходимо также отметить, что стандартные конструкции фильтров и материалы мембран не предотвращают вторичное бактериальное заражение воды, т. е. бактерии могут развиваться и на самой мембране. Следовательно, особенно для питьевой воды необходимо перед мембранным фильтром и после него предусматривать обеззараживание воды, например, ультрафиолетовым излучением.

12. Электроимпульсный метод

Электроимпульсный метод относится к физическим методам обеззараживания воды. Сущность данного метода заключается в воздействии на обрабатываемую воду ударной волной.

Специальный прибор создает электрический разряд, который в свою очередь формирует ударную волну, распространяемую в объеме воды. При таком воздействии происходят ряд физических процессов: кавитация, образование ударных волн высокого давления, интенсивные ультразвуковые колебания.

Как результат происходит механическое уничтожение биологического объекта.

Достоинством данной технологии является возможность применения с водой повышенной мутности и для всех видов микроорганизмов, включая вирусы. В воду не вносятся дополнительные вещества.

До настоящего времени технология не применятся широко, что связано с высокими энергетическими затратами, применением специального оборудования, настройку и обслуживания которого должны выполнять специалисты, и отсутствием нормативных стандартов определения качества обеззараженной воды.

13. Нетрадиционные методы обеззараживания

Самым распространенным способом обеззараживания воды в полевых условиях является применение растворимых антисептиков в форме таблеток (аквасепт, клорсепт, акватабс, пантоцид). Одна таблетка обычно рассчитана на обеззараживание до 1 л. воды. При таком способе вода очищается благодаря химической реакции добавленных в воду веществ. После ее растворения необходимо подождать 15–20 мин до полного завершения химической реакции. При сильном загрязнении дозу удваивают. Качество таблеток зависит от количественного содержания активного хлора, на 1 мг – плохо, на 3–4 мг. – хорошо.

При отсутствии таблеток можно применять перманганат калия (марганцовка) из расчета 1–2 г. на ведро воды, показателем может служить цвет воды, он должен быть бледно-розовым. Также можно использовать и йод, достаточно добавить 34 капли на 1 л воды, перемешать и дать отстоятся. Считается, что марганцовка и йод являются самыми эффективными средствами для обеззараживания воды при ее малых объемах.

Еще одним распространенным методом является кипячение воды. Для достижения наибольшего эффекта в воду добавляют некоторые растения: ветки ели, сосны, кедра, можжевельника, пихты, кору ивы, дуба, грецкого ореха, из трав – тысячелистник, зверобой, саксаул и верблюжью колючку. Однако эти растения могут придать воде горьковатый вкус, что нужно учитывать при их добавлении в воду.

Целесообразно использовать природные растения – антисептики, признанные официальной медициной: ромашку, чистотел, зверобой, бруснику.

Самым эффективным является чистотел, он содержит йод в своем едком соке желто-оранжевого цвета и способен убивать многие известные патогенные микробы.

Иногда используют бактерицидные свойства грибов, таких, как чага, молодой дождевик.

Можно применять также серебро и кремний. Для того чтобы вода стала пригодной для питья, нужно просто поместить кремний или серебро (любые серебряные украшения) в воду и выдержать не менее суток. Что касается кремния, достаточно добавить 1–3 г. на 1 л воды. Для поддержания длительного эффекта серебро и кремний вынимать из воды не следует.

Приложение

Схема очистки воды производительностью до 1,5 м^3/ч для загородного дома и коттеджа

Схема № 1

1. Фильтр грубой очистки; 2. Установка комбинированной очистки FSA 77-12T; 3. Фильтр тонкой очистки серии BB; 4. Ультрафиолетовый обеззараживатель.

Приведенная схема позволит очистить воду от механической взвеси, песка, железа и марганца при низком их содержании, сделать воду мягкой и безопасной в микробиологическом отношении. Обратноосмотическая установка (только для питьевой воды) обеспечивает доочистку воды до высших стандартов при качестве исходной воды:

железо – до 2 мг/л;

марганец – до 0,2 мг/л;

жесткость – до 8 ммоль/л;

мутность – до 3,5 мг/л;

ОМЧ – не более 100;

рН – не менее 6,8.

Схема очистки воды производительностью до 1,5 м^3/ч для загородного дома и коттеджа

Схема № 2

1. Фильтр грубой очистки; 2. Комплекс пропорционального дозирования Stenner; 3. Обезжелезиватель с фильтрующей средой MGS AT-FGI 500-12T; 4. Умягчитель AT-FS 500-10M; 5. Фильтр тонкой очистки серии BB.

Приведенную схему применяют для очистки воды от мутности, песка, железа и марганца при их значительной концентрации, сероводорода и получения умягченной воды. Схема эффективна, если вода имеет повышенную цветность и посторонний запах. Схема обеспечивает обеззараживание воды. Обратноосмотическая установка (только для питьевой воды) обеспечивает доочистку воды до высших стандартов при качестве исходной воды:

железо – до 12 мг/л;

марганец – до 0,5 мг/л;

жесткость – до 10 ммоль/л;

мутность – до 8,0 мг/л;

ОМЧ – более 100;

запах – 3–4 балла;

рН – не менее 6,5.

Все приведенные схемы требуют периодической регенерации фильтров (в зависимости от степени загрязнения 1–2 раз в неделю в течение 1–2 ч).

Схема для непрерывного водоснабжения очищенной водой состоит из двух независимых линий оборудования по любой из вышеописанных схем, на выходе каждой из них устанавливается электроклапан, перекрывающий поступление воды к потребителю в период проведения регенерации любого из фильтров, входящих в состав этой линии. Соответствующий электрический сигнал может быть снят с автоматических управляющих клапанов.

Приведенные схемы носят обобщенный характер. В зависимости от конкретных условий может потребоваться их существенная переработка и дополнение, например накопительными емкостями для чистой или исходной воды, насосами-повысителями, средствами автоматизации и управления.

Content

Е. А. Хохрякова
Современные методы обеззараживания воды

Введение

1. Источники водоснабжения, их пригодность для обеззараживания

2. Классификация методов обеззараживания

3. Нормативно-технические документы водно-санитарного законодательства

4. Обработка воды сильными окислителями

4.1. Хлорирование

4.2. Методика хлорирования

4.2.1. Хлор

4.2.2. Диоксид хлора

4.2.3. Гипохлорит натрия

4.2.4. Хлорсодержащие реагенты

4.2.5. Хлорирование для индивидуального водоснабжения

4.3. Другие галогены для обеззараживания воды

4.3.1. Йодирование

4.3.2. Бромирование

4.4. Озонирование

4.4.1. История озонирования

4.4.2. Получение озона

4.4.3. Обеззараживающее действие озона

4.4.4. Аппаратурное оформление

4.4.5. Особенности озонирования

5. Олигодинамия

5.1. Серебро

5.1.1. История

5.1.2. Описание метода

5.1.3. Механизм воздействия

5.1.4. Аппаратурное оформление

5.1.5. Применение активных углей и катионитов, насыщенных серебром

5.2. Медь

5.2.1. История

5.2.2. Механизм воздействия

5.2.3. Аппаратурное оформление

6. Ультрафиолетовое обеззараживание

6.1. Описание метода

6.2. Доза излучения

6.3. Аппаратурное оформление

6.4. Рынок ультрафиолетовых обеззараживателей

6.5. Место установки ультрафиолетового обеззараживателя в схеме очистки воды

6.6. Положительные и отрицательные качества метода

7. Сравнение основных методов обеззараживания

8. Термический метод

9. Ультразвуковое воздействие

9.1. Описание метода

9.2. Аппаратурное оформление

9.3. Положительные и отрицательные качества метода

10. Электрохимический метод обеззараживания

11. Мембранные методы

11.1. Технология обратного осмоса

11.2. Материал мембран и конструкции аппаратов

11.3. Условия применения мембран

12. Электроимпульсный метод

13. Нетрадиционные методы обеззараживания

Приложение