Химические (реагентные ) методы

ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ

Часть патогенных бактерий и вирусов проникает через очистные сооружения и содержится в фильтрованной воде. Эффективность освобождения воды от микробного загрязнения на этапах очистки во многом зависит от характера взвеси, параметры которой весьма непостоянны. Для создания надежного и управляемого барьера на пути возможной передачи через воду кишечных инфекций применя­ется ее обеззараживание, т.е. уничтожение живых и вирулентных па­тогенных микроорганизмов — бактерий и вирусов.

В практике коммунального водоснабжения используют реагентные (хлорирование, озонирование, воздействие препаратами сереб­ра, меди, йода) и безреагентные (ультрафиолетовые лучи, воздействие импульсными электрическими разрядами, гамма-лучами и др.) ме­тоды обеззараживания воды. При выборе метода обеззараживания следует учитывать опасность для здоровья человека остаточных ко­личеств биологически активных веществ, применяемых для обезза­раживания или образующихся в процессе обеззараживания, возмож­ность изменения физико-химических свойств воды (например, об­разование свободных радикалов). Важными характеристиками метода обеззараживания являются также его эффективность в отношении различных видов микроорганизмов воды, зависимость эффекта от ус­ловий среды (рН, температура воды).

Химические (реагентные) методы

Хлорирование воды в настоящее время получило наиболее широ­кое распространение благодаря многим техническим, гигиеническим и экономическим преимуществам перед другими методами обезза­раживания.

Для хлорирования воды используют различные соединения хлора и разные способы их взаимодействия с водой. Наибольшее распро странение получил жидкий хлор, который поступает на водопро­водные станции в цистернах или баллонах под высоким давлени­ем. Он представляет собой маслянистую темно-зеленую жидкость плотностью 1, 4 при 15 °С. При снижении давления жидкий хлор переходит в газообразный, хорошо растворяющийся в воде. Взаи­модействие растворенного хлора с водой протекает по следующим реакциям:

С1₂ +Н₂0 = НС1 +НОС1, НОС1 = Н⁺ + ОСГ.

Степень диссоциации хлорноватистой кислоты зависит от актив­ной реакции воды. Обеззараживающее действие оказывают гипохло-ритный ион ОСГ и недиссоциированная хлорноватистая кислота.

Кроме жидкого хлора, в практике обеззараживания воды исполь­зуют ряд его соединений, из которых практическое значение для цен­трализованных систем питьевого водоснабжения имеет диоксид хло­ра (СЮ₂). Диоксид хлора — газ желто-зеленого цвета, хорошо раство­римый в воде. При 4 °С в воде может раствориться до 20 объемов диоксида хлора. Диоксид хлора в воде практически не гидролизует-ся, действующим началом является молекула вещества.

Неорганические хлорамины (монохлорамин NH₂Cl и дихлорамин NHC1₂) широко используют при обеззараживании воды на водо­проводах.

Гипохлориты кальция и натрия представляют собой соли хлор­новатистой кислоты. Действующим началом гипохлоритов является гипохлоритный ион (ОСГ). Хлорная известь — комплексное соеди­нение, в котором ион кальция связан одновременно с анионами хлор­новатистой и хлористоводородной кислот. Свежий технический про­дукт содержит не более 35% активного хлора. При хранении, особенно в сырости и на свету, хлорная известь теряет активность. Действую­щим началом гипохлоритов является гипохлоритный ион.

Различная бактерицидность хлорсодержащих препаратов связана с выраженностью их окислительных свойств. Современное представ­ление о сущности окислительно-восстановительных реакций связы­вается с переносом электронов в ряду взаимодействующих веществ. Окислительно-восстановительный потенциал хлорсодержащих пре­паратов, как и их бактерицидная активность, возрастают в ряду хло­рамин—хлорная известь—хлоргаз—диоксид хлора.

Процесс взаимодействия хлора с бактериальной клеткой в воде про­ходит две стадии: сначала обеззараживающий агент диффундирует внутрь бактериальной клетки, а затем вступает в реакцию с белками цитоплазмы, ядерным аппаратом клетки, а также с энзимами клет­ки, в первую очередь с дегидрогеназами, блокируя SH-группы. В экс­периментах показана прямая корреляция подавления активности дегидрогеназ с бактерицидным эффектом. Препараты хлора воздей­ствуют в основном на вегетативные формы бактерий. Спороцидный эффект проявляется в эксперименте при высоких концентрациях хло­ра и длительном контакте, нереальных для технологии водоподготов-ки. Высокорезистентны к действию хлора вирусы, а также цисты про­стейших и яйца гельминтов.

На эффективность хлорирования влияет ряд факторов, связанных с биологическими особенностями микроорганизмов, бактерицидны­ми свойствами препаратов хлора, состоянием водной среды, услови­ями, в которых производится обеззараживание.

Скорость процесса обеззараживания воды определяется диффу­зией обеззараживающего агента внутрь клетки и отмиранием клеток в результате нарушения их метаболизма. Скорость обеззараживания возрастает с увеличением концентрации обеззараживающего веще­ства в воде, повышением ее температуры и переходом обеззаражива­ющего агента в недиссоциированную форму, поскольку диффузия молекул через мембрану клетки происходит быстрее, чем гйдратиро-ванных ионов, образующихся при диссоциации.

Эффективность хлорирования в большой мере зависит и от пер­воначального количества микробов в исходной воде:

N_t=N_o10-^kt,

где N₀—начальное число бактерий; N_t —число бактерий после t ми­нут контакта с хлором; k — константа скорости отмирания бактерий.

Константа скорости отмирания кишечной палочки под воздейст­вием препаратов хлора колеблется от 0, 506 до 0, 026 в зависимости от исследуемого штамма. Эмпирически доказано и экспериментально подтверждено, что при наличии в обработанной воде не более 1-3 кишечных палочек на 1 л она не содержит возбудителей кишечных инфекций.

Эффективность хлорирования зависит от состава водной среды, в которой проявляется бактерицидное действие этих препаратов. С повышением рН воды бактерицидный эффект уменьшается. Это связано с тем, что с повышением рН возрастает диссоциация хлор­новатистой кислоты (наиболее активного действующего начала), а также со снижением окислительно-восстановительного потенциалаЭффективность обеззараживания снижается в присутствии способ­ных к окислению органических веществ и других восстановителей, а также коллоидных и взвешенных веществ, обволакивающих бакте­рии и мешающих контакту с ними обеззараживающего агента. Ор­ганические вещества, растворенные в воде, в разной степени могут влиять на бактерицидный эффект хлора, что объясняется их спо­собностью к взаимодействию. Азотистые вещества животного про­исхождения (мочевина, аминокислоты, амины) активно связыва­ют хлор, безазотистые (жиры, углеводы) слабо реагируют с хлором. Интегральным показателем свойств воды, мешающих обеззаражи­ванию, является хлорпоглощаемость, измеряемая количеством хло­ра, необходимого для окисления имеющихся в воде восстановителей. Из этого следует большая зависимость эффекта хлорирования от качества очистки воды — предыдущей стадии водоподготовки. Хлор-поглощаемость прямо пропорциональна также дозе хлора и време­ни контакта.

Доза и время контакта хлора имеют наибольшее значение среди факторов, связанных с условиями обеззараживания, причем отмеча­ется их сложная зависимость как между собой, так и с другими фак­торами, влияющими на эффективность хлорирования. Температура среды, в которой производится хлорирование, в практической рабо­те водопроводных станций при соответствии бактериального загряз­нения воды источника требованиям ГОСТа «Источники питьево­го водоснабжения» на эффективность обеззараживания существен­но не влияет.

Множество факторов, определяющих бактерицидный эффект хлора, а также сложные взаимосвязи между ними затрудняют управ­ление процессом обеззараживания питьевой воды. В условиях экс­плуатации водопровода можно влиять на дозу обеззараживающего агента. Подбор оптимальной дозы активного хлора, под которой по­нимают его количество, обеспечивающее достаточный эффект обез­зараживания при заданном времени контакта, производится опыт­ным путем в лабораторном эксперименте. С изменением качества исходной воды, технологической схемы ее обработки, времени года оптимальную дозу хлора подбирают вновь.

Оптимальная доза активного хлора состоит из количества хлора, необходимого для удовлетворения хлорпоглощаемости воды и бак­терицидного действия, и некоторого количества так называемого ос­таточного хлора, присутствующего в обеззараженной воде и свиде­тельствующего о завершении процесса обеззараживания.

Остаточный хлор наряду с количеством кишечных палочек в воде служит косвенным показателем ее безопасности в эпидемиологичес­ком отношении.

Концентрация остаточного хлора нормируется СанПиН «Питье­вая вода» на разном уровне в зависимости от его состояния: для свя­занного (хлораминного) хлора 0, 8-1, 2 мг/л, для свободного (хлор­новатистая или хлорная кислота, гипохлоритный ион) 0, 3-0, 5 мг/л. В указанных диапазонах концентраций остаточный хлор не изменя­ет органолептические свойства воды и в то же время точно определя­ется аналитическими методами. Содержание остаточного хлора нор­мируется в воде на выходе с водопроводной станции, после резерву­аров чистой воды.

Необходимо отметить, что остаточный хлор является сигналом достаточности обеззараживания только при соблюдении всех правил технологии обработки воды (время отстаивания, скорость фильтро­вания и т. д.), а также при достаточном времени контакта (30 мин при обеззараживании свободным хлором и 60 мин — связанным). Нельзя рассчитывать и на то, что остаточный хлор может предотвра­тить неблагоприятные последствия вторичного загрязнения воды в процессе ее транспортировки по распределительной сети. Низкие концентрации остаточного хлора явно недостаточны для окисления сильно загрязненных грунтовых вод города, которые могут поступить в водопроводные трубы при дефектах сети и авариях. Основой охра­ны качества питьевой воды в распределительной сети являются тех­ническая исправность сети и соблюдение правил эксплуатации (ре­гулярная промывка, дезинфекция после ремонтных работ, содержа­ние смотровых колодцев и пр.).

Взаимодействие хлора с компонентами обрабатываемой воды яв­ляется сложным и многостадийным процессом (рис. 6.1). Малые дозы хлора полностью связываются органическим веществом воды, в пер­вую очередь аминами, которые в настоящее время постоянно при­сутствуют в воде поверхностных источников водоснабжения. С уве­личением дозы в воде накапливается остаточный, связанный с ами­нами хлор. При дальнейшем увеличении дозы количество остаточного связанного хлора падает до определенной точки, называемой точ­кой перелома на кривой остаточного хлора. Это падение объясняется потреблением хлораминов и других хлорорганических соединений органическим веществом воды с образованием комплексных со­единений, в которых хлор не проявляет активность. При увеличении дозы хлора после точки перелома вновь начинается рост остаточно

Остаточный хлор наряду с количеством кишечных палочек в воде служит косвенным показателем ее безопасности в эпидемиологичес­ком отношении.

Концентрация остаточного хлора нормируется СанПиН «Питье­вая вода» на разном уровне в зависимости от его состояния: для свя­занного (хлораминного) хлора 0, 8-1, 2 мг/л, для свободного (хлор­новатистая или хлорная кислота, гипохлоритный ион) 0, 3-0, 5 мг/л. В указанных диапазонах концентраций остаточный хлор не изменя­ет органолептические свойства воды и в то же время точно определя­ется аналитическими методами. Содержание остаточного хлора нор­мируется в воде на выходе с водопроводной станции, после резерву­аров чистой воды.

Необходимо отметить, что остаточный хлор является сигналом достаточности обеззараживания только при соблюдении всех правил технологии обработки воды (время отстаивания, скорость фильтро­вания и т. д.), а также при достаточном времени контакта (30 мин при обеззараживании свободным хлором и 60 мин — связанным). Нельзя рассчитывать и на то, что остаточный хлор может предотвра­тить неблагоприятные последствия вторичного загрязнения воды в процессе ее транспортировки по распределительной сети. Низкие концентрации остаточного хлора явно недостаточны для окисления сильно загрязненных грунтовых вод города, которые могут поступить в водопроводные трубы при дефектах сети и авариях. Основой охра­ны качества питьевой воды в распределительной сети являются тех­ническая исправность сети и соблюдение правил эксплуатации (ре­гулярная промывка, дезинфекция после ремонтных работ, содержа­ние смотровых колодцев и пр.).

Взаимодействие хлора с компонентами обрабатываемой воды яв­ляется сложным и многостадийным процессом (рис. 6.1). Малые дозы хлора полностью связываются органическим веществом воды, в пер­вую очередь аминами, которые в настоящее время постоянно при­сутствуют в воде поверхностных источников водоснабжения. С уве­личением дозы в воде накапливается остаточный, связанный с ами­нами хлор. При дальнейшем увеличении дозы количество остаточного связанного хлора падает до определенной точки, называемой точ­кой перелома на кривой остаточного хлора. Это падение объясняется потреблением хлораминов и других хлорорганических соединений органическим веществом воды с образованием комплексных со­единений, в которых хлор не проявляет активность. При увеличении дозы хлора после точки перелома вновь начинается рост остаточно

Суперхлорирование, т.е. хлорирование избыточными дозами хло­ра, используется при особой эпидемической обстановке и при невоз­можности обеспечить достаточное время контакта воды с хлором. При суперхлорировании также не провоцируются запахи в воде, поскольку образовавшиеся на раннем этапе взаимодействия хлора с водой хло-рорганические соединения в дальнейшем разрушаются избытком хло­ра. Однако необходимо удаление избыточного остаточного хлора (де­хлорирование) перед подачей воды потребителю, что достигается до­бавлением к воде гипосульфита, сорбцией хлора на активированном угле или аэрацией.

При обеззараживании воды послепереломными дозами (хлори­рование с остаточным свободным хлором) дозу хлора подбирают в диапазоне 4 (см. рис. 6.1). Этот способ отличается от суперхлори­рования более тщательным подбором дозы и поэтому не требует до­полнительного дехлорирования. Он дает высокий и стойкий бактери­цидный эффект, предупреждает появление запахов в воде и требует меньшего времени контакта по сравнению со способом хлорирова­ния с преаммонизацией.

При хлорировании диоксидом хлора отмечается более высокий бактерицидный эффект при той же дозе активного хлора, не образует­ся новых запахов и даже исчезают запахи (бензина, меркаптана и пр.), имевшиеся в исходной воде. Это объясняется тем, что действующим началом при введении диоксида хлора является не хлорноватистая кислота, а молекула диоксида хлора — более сильный окислитель.

Гипохлориты можно получать на месте потребления электролити­ческим путем. В качестве электролитов используются или специаль­но приготовленные растворы хлорида натрия, или природные элект­ролиты - подземные минерализованные и морские воды. Обезза­раживание на установках водоподготовки производительностью до 5000 м³/сут возможно прямым электролизом воды при исходном со­держании хлоридов не менее 20 мг/л и жесткости до 7 мг-экв/л. По­лучение гипохлоритов непосредственно на водопроводной станции имеет значительные экономические преимущества и позволяет из­бежать транспортировки и хранения жидкого хлора — опасного и ток­сичного вещества.

Для обеззараживания воды на водопроводах, использующих поверх­ностные источники с очень высоким бактериальным загрязнением, используют так называемое двойное хлорирование. Основную дозу хло­ра вводят в воду перед процессом очистки, а после очистки выполня­ют заключительное хлорирование. Такой способ положительно оце-нивается технологами по обработке воды, поскольку в значительной мере снижает обрастание водопроводных сооружений и коммуника­ций водорослями. Однако высокая концентрация образующихся при этом хлорорганических соединений не позволяет считать метод двой­ного хлорирования безупречным. Предшественники хлорорганичес­ких соединений - гуминовые кислоты и фульвокислоты, производ­ные фенола, анилина, являющиеся продуктами метаболизма водорос­лей, постоянно присутствуют в воде поверхностных источников водоснабжения. Хлорорганические соединения в низких дозах не толь­ко оказывают общетоксическое действие, но и способны дать эмбрио-токсический, мутагенный и канцерогенный эффект (см. Приложение).

Хлорированию как методу обеззараживания воды присущи и дру­гие недостатки. К ним относятся сложность транспортировки и хра­нения жидкого хлора — взрывоопасного и токсичного вещества, не­обходимость соблюдения многочисленных требований по технике безопасности, продолжительное время контакта для достижения обеззараживающего эффекта. Некоторые химические вещества тех­ногенного происхождения, например синтетические ПАВ, могут су­щественно влиять на эффективность хлорирования.

Тем не менее высокая бактерицидная эффективность и техноло­гическая надежность делают метод хлорирования самым распрост­раненным в практике обеззараживания питьевой воды как в нашей стране, так и за рубежом.

Обеззараживание воды озоном. Эксперименты с использованием бактерицидных свойств озона были впервые проведены в 1886 г. во Франции. Первая в мире производственная озонаторная установка была построена в 1911 г. в Петербурге. В последние десятилетия ин­терес к применению озона для подготовки питьевой воды усилился. Это связано с тем, что озон не только оказывает бактерицидное дей­ствие на патогенную микрофлору, но и способен разрушать многие присутствующие в воде источника водоснабжения химические ве­щества техногенного происхождения. Ряд крупных водопроводных станций США и Франции используют озонирование. В России озо­нирование применяется на водопроводах Москвы, Ярославля, Челя­бинска и других городов.

Озон (О₃) - газ бледно-фиолетового цвета, обладающий характер­ным запахом. Это один из сильнейших окислителей; он способен окислять все металлы, кроме золота и платиноидов, а также боль­шинство неметаллов. Окисление осуществляет атомарный кислород, образующийся в воде при распаде растворенного в ней озонаОзон на водопроводных станциях получают с помощью специаль­ных установок (рис. 6.2). Главным технологическим узлом установки является озонатор. Озонатор состоит из двух электродов, между ко­торыми находится воздушное разрядное пространство шириной 2-3 мм. Один из электродов заземлен, ко второму подведен перемен­ный ток напряжением свыше 1000 В. Воздух, поступающий в озо­наторы, предварительно очищают от пыли, освобождают от влаги и охлаждают. Подготовленная озоновоздушная смесь поступает в бар-ботажные колонны, где осуществляется ее контакт с обрабатываемой водой. Время контакта, необходимое для проявления бактерицидно­го эффекта, около 10 мин.

Молекула озона легко разлагается на атом и молекулу кислорода. При разложении озона в воде в качестве промежуточных продуктов образуются короткоживущие свободные радикалы НО₂, ОН. Моле­кулярный кислород и свободные радикалы, являясь сильными окис­лителями, обусловливают бактерицидные свойства озона.

Обеззараживающее действие озона на вегетативные формы бак­терий в 15-20 раз, а на споровые формы в 300-600 раз более выраже­но, чем действие хлора. Высокий вирулицидный эффект озона про­является при реальных для практики водоподготовки концентраци­ях 0, 5-0, 8 мг/л и времени контакта 12 мин. Известна высокаяположительных ионов металлов носит название олигоди-намического эффекта. В современных установках используется элек­тролитический способ введения серебра. На аноде при этом образу­ются ионы гипохлорита и перекисных соединений, которые усили­вают олигодинамическое действие серебра.

Применение серебра для обеззараживания питьевой воды сдержи­вают его высокая стоимость, а также то обстоятельство, что его ПДК в воде, установленная по токсикологическому признаку вредности, составляет 0, 05 мг/л, что на порядок ниже эффективных по бактери­цидному действию концентраций. В связи с этим серебро применя­ется для обеззараживания и консервации небольших объемов питье­вой воды в системах автономного жизнеобеспечения.

Для обеззараживания питьевой воды используют олигодинамичес-кий эффект ионов меди. Антимикробные спектры серебра и меди совпадают, но действующие концентрации меди выше, и бактерицид­ный эффект развивается медленнее.

Для обеззараживания индивидуальных или небольших групповых запасов питьевой воды в полевых условиях используют препараты йода, которые, в отличие от препаратов хлора, действуют быстрее и не ухудшают органолептические свойства воды. Бактерицидный эф­фект обеспечивается при концентрации йода 0, 3-1 мг/л, вирулицид-ный - 0, 5-2 мг/л при экспозиции 20-30 мин.