По способу воздействия на микробов методы обеззараживания воды раделяют на химические, физические и комбинированные. В химическом методе должный эффект достигается путем внесения в воду биологически активных соединений. Физические методы обеззараживания подразумевают собой обработку воды различными физическими воздействиями,ну а в комбинированных применяется одновременно химическое и физическое воздействие.
Головными сооружениями водопровода, питающегося водой из открытого водоема, являются: сооружения для забора и улучшения качества воды, резервуар для чистой воды, насосное хозяйство и водонапорная башня. От нее отходит водовод и разводящая сеть трубопроводов, изготовленных из стали или имеющих антикоррозийные покрытия.
Итак, первый этап очистки воды открытого водоисточника -- это осветление и обесцвечивание. В природе это достигается путем длительного отстаивания. Но естественный отстой протекает медленно и эффективность обесцвечивания при этом невелика. Поэтому на водопроводных станциях часто применяют химическую обработку коагулянтами, ускоряющую осаждение взвешенных частиц. Процесс осветления и обесцвечивания, как правило, завершают фильтрованием воды через слой зернистого материала (например, песок или измельченный антрацит). Применяют два вида фильтрования -- медленное и скорое.
Медленное фильтрование воды проводят через специальные фильтры, представляющие собой кирпичный или бетонный резервуар, на дне которого устраивают дренаж из железобетонных плиток или дренажных труб с отверстиями. Через дренаж профильтрованная воды отводится из фильтра. Поверх дренажа загружают поддерживающий слой щебня, гальки и гравия по крупности, постепенно уменьшающейся кверху, что не дает возможности мелким частицам просыпаться в отверстия дренажа. Толщина поддерживающего слоя -- 0,7 м. На поддерживающий слой загружаютфильтрующий слой (1 м) с диаметром зерен 0,25-0,5 мм. Медленный фильтр хорошо очищает воду только после созревания, которое состоит в следующем: в верхнем слое песка происходят биологические процессы -- размножение микроорганизмов, гидробионтов, жгутиковых, затем их гибель, минерализация органических веществ и образование биологической пленки с очень мелкими порами, способными задерживать даже самые мелкие частицы, яйца гельминтов и до 99% бактерий. Скорость фильтрации составляет 0,1-0,3 м/ч.
Медленнодействующие фильтры применяют на малых водопроводах для водоснабжения сел и поселков городского типа. Раз в 30-60 дней поверхностный слой загрязненного песка снимают вместе с биологической пленкой.
Стремление ускорить осаждение взвешенных частиц, устранить цветность воды и ускорить процесс фильтрования привело к проведению предварительного коагулирования воды. Для этого к воде добавляют коагулянты, т. е. вещества, образующие гидроокиси с быстро оседающими хлопьями. В качестве коагулянтов применяют сернокислый алюминий -- Al2(SO4)3 ; хлорное железо -- FeSl^ сернокислое железо -- FeSO4 и др. Хлопья коагулянта обладают огромной активной поверхностью и положительным электрическим зарядом, что позволяет им адсорбировать даже мельчайшую отрицательно заряженную взвесь микроорганизмов и коллоидных гуминовых веществ, которые увлекаются на дно отстойника оседающими хлопьями. Условия эффективности коагуляции -- наличие бикарбонатов. На 1 г коагулянта добавляют 0,35 г Са(ОН)2. Размеры отстойников (горизонтальных или вертикальных) рассчитаны на 2-3-часовое отстаивание воды.
После коагуляции и отстаивания вода подается на скорые фильтры с толщиной фильтрующего слоя песка 0,8 м и диаметром песчинок 0,5-1 мм. Скорость фильтрации воды составляет 5-12 м/час. Эффективность очистки воды: от микроорганизмов -- на 70-98% и от яиц гельминтов -- на 100%. Вода становится прозрачной и бесцветной.
Благодаря тому, что в процессе осветления происходит устранение мутности воды из-за снижения содержания в ней примесей, находящихся во взвешенном состоянии, такой процесс как обеззараживание воды , следующий за ним, значительно упрощается. Это и неудивительно, ведь вместе с песком и яйцами гельминтов в процессе осветления исчезает и значительная часть микроорганизмов.
Очистку фильтра проводят путем подачи воды в обратном направлении со скоростью, в 5-6 раз превышающей скорость фильтрования в течение 10-15 мин.
С целью интенсификации работы описанных сооружений используют процесс коагуляции в зернистой загрузке скорых фильтров (контактная коагуляция). Такие сооружения называют контактными осветелителями. Их применение не требует строительства камер хлопьеобразования и отстойников, что позволяет уменьшить объем сооружений в 4-5 раз. Контактный фильтр имеет трехслойную загрузку. Верхний слой -- керамзит, полимерная крошка и др. (размер частиц --- 2,3-3,3 мм).
Средний слой -- антрацит, керамзит (размер частиц -- 1,25-2,3 мм).
Нижний слой -- кварцевый песок (размер частиц -- 0,8-1,2 мм). Над поверхностью загрузки укрепляют систему перфорированных труб для введения раствора коагулянта. Скорость фильтрации до 20 м/час.
При любой схеме заключительным этапом обработки воды наводопроводе из поверхностного источника должно быть обеззараживание.
Итак, как обеззараживать воду , спросите вы? Достаточно просто, ведь сегодня существует множество методов, которые помогают полностью очистить воду, сделав ее абсолютно безопасной. Разумеется, пытаться обеззаразить воду самостоятельно не стоит, ведь сегодня создано множество специализированных установок, которые выполнят данную процедуру быстрее, и главное качественнее, чем вы сами.
При организации централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения небольших населенных пунктов и отдельных объектов (дома отдыха, пансионаты, пионерские лагеря) в случае использования в качестве источника водоснабжения поверхностных водоемов необходимы сооружения небольшой производительности. Этим требованиям отвечают компактные установки заводского изготовления "Струя" производительностью от 25 до 800 м3/сутки.
В установке используют трубчатый отстойник и фильтр с зернистой загрузкой. Напорная конструкция всех элементов установки обеспечивает подачу исходной воды насосами первого подъема через отстойник и фильтр непосредственно в водонапорную башню, а затем потребителю. Основное количество загрязнений оседает в трубчатом отстойнике. Песчаный фильтр обеспечивает окончательное извлечение из воды взвешенных и коллоидных примесей.
Хлор для обеззараживания может вводиться либо перед отстойником, либо сразу в фильтрованную воду. Промывку установки проводят 1-2 раза в сутки в течение 5-10 мин обратным потоком воды. Продолжительность обработки воды не превышает 40-60 мин, тогда как на водопроводной станции этот процесс составляет от 3 до 6 ч.
Эффективность очистки и обеззараживания воды на установке "Струя" достигает 99,9%.
Обеззараживание воды может быть проведено химическими и физическими (безреагентными) методами.
Остановимся немного поподробнее на каждом из этих методов, чтобы выяснить чем обеззараживают воду в каждом из них. Немного ниже приведены принципы обеззараживания воды в каждом из этих методов и описаны их преимущества и недостатки. И если вы именно сейчас выбираете как очистить воду, то внимательно ознакомьтесь с данной весьма полезной информацией.
К химическим методам обеззараживания воды относят хлорирование и озонирование. Задача обеззараживания -- уничтожение патогенных микроорганизмов, т. е. обеспечение эпидемической безопасности воды.
Россия была одной из первых стран, в которой хлорирование воды стало применяться на водопроводах. Произошло это в 1910 г. Однако на первом этапе хлорирование воды проводили только при вспышках водных эпидемий.
В настоящее время хлорирование воды является одним из наиболее широко распространенных профилактических мероприятий, сыгравших огромную роль в предупреждении водных эпидемий. Этому способствует доступность метода, его дешевизна и надежность обеззараживания, а также многовариантность, т. е. возможность обеззараживать воду на водопроводных станциях, передвижных установках, в колодце (при его загрязнении и ненадежности), на полевом стане, в бочке, ведре и во фляге. Принцип хлорирования основан на обработке воды хлором или химическими соединениями, содержащими хлор в активной форме, обладающей окислительным и бактерицидным действием.
Химизм происходящих процессов состоит в том, что при добавлении хлора к воде происходит его гидролиз:
т. е. образуются соляная и хлорноватистая кислота. Во всех гипотезах, объясняющих механизм бактерицидного действия хлора, хлорноватистой кислоте отводят центральное место. Небольшие размеры молекулы и электрическая нейтральность позволяют хлорноватистой кислоте быстро пройти через оболочку бактериальной клетки и воздействовать на клеточные ферменты (SH-группы;), важные для обмена веществ и процессов размножения клетки. Это подтверждено при электронной микроскопии: выявлено повреждение оболочки клетки, нарушение ее проницаемости и уменьшение объема клетки.
На крупных водопроводах для хлорирования применяют газообразный хлор, поступающий в стальных баллонах или цистернах в сжиженном виде. Используют, как правило, метод нормального хлорирования, т. е. метод хлорирования по хлорпотребности.
Имеет важное значение выбор дозы, обеспечивающий надежное обеззараживание. При обеззараживании воды хлор не только способствует гибели микроорганизмов, но и взаимодействует с органическими веществами воды и некоторыми солями. Все эти формы связывания хлора объединяются в понятие "хлорпоглощаемость воды".
В соответствии с СанПиН 2.1.4.559-96 "Питьевая вода..." доза хлора должна быть такой, чтобы после обеззараживания в воде содержалось 0,3-0,5 мг/л свободного остаточного хлора. Этот метод, не ухудшая вкуса воды и не являясь вредным для здоровья, свидетельствует о надежности обеззараживания. Количество активного хлора в миллиграммах, необходимое для обеззараживания 1 л воды, называют хлорпотребностью.
Кроме правильного выбора дозы хлора, необходимым условием эффективного обеззараживания является хорошее перемешивание воды и достаточное время контакта воды с хлором: летом не менее 30 минут, зимой не менее 1 часа.
Модификации хлорирования: двойное хлорирование, хлорирование с аммонизацией, перехлорирование и др.
Двойное хлорирование предусматривает подачу хлора на водопроводные станции дважды: первый раз перед отстойниками, а второй -- как обычно, после фильтров. Это улучшает коагуляцию и обесцвечивание воды, подавляет рост микрофлоры в очистных сооружениях, увеличивает надежность обеззараживания.
Хлорирование с аммонизацией предусматривает введение в обеззараживаемую воду раствора аммиака, а через 0,5-2 минуты -- хлора. При этом в воде образуются хлорамины -- монохлорамины (NH2Cl) и дихлорамины (NHCl2), которые также обладают бактерицидным действием. Этот метод применяется для обеззараживания воды, содержащей фенолы, с целью предупреждения образования хлорфенолов. Даже в ничтожных концентрациях хлорфенолы придают воде аптечный запах и привкус. Хлорамины же, обладая более слабым окислительным потенциалом, не образуют с фенолами хлорфенолов. Скорость обеззараживания воды хлораминами меньше, чем при использовании хлора, поэтому продолжительность дезинфекций воды должна быть не меньше 2 ч, а остаточный хлор равен 0,8-1,2 мг/л.
Перехлорирование предусматривает добавление к воде заведомо больших доз хлора (10-20 мг/л и более). Это позволяет сократить время контакта воды с хлором до 15-20 мин и получить надежное обеззараживание от всех видов микроорганизмов: бактерий, вирусов, риккетсий Бернета, цист, дизентерийной амебы, туберкулеза и даже спор сибирской язвы. По завершении процесса обеззараживания в воде остается большой избыток хлора и возникает необходимость дехлорирования. С этой целью в воду добавляют гипосульфит натрия или фильтруют воду через слой активированного угля.
Перехлорирование применяется преимущественно в экспедициях и военных условиях.
К недостаткам метода хлорирования следует отнести:
сложность транспортировки и хранения жидкого хлора и его токсичность;
продолжительное время контакта воды с хлором и сложность подбора дозы при хлорировании нормальными дозами;
образование в воде хлорорганических соединений и диоксинов, небезразличных для организма;
изменение органолептических свойств воды.
И тем не менее высокая эффективность делает метод хлорирования самым распространенным в практике обеззараживания воды.
Оно и понятно, ведь обеззараживание воды хлором это самый дешевый, и вместе с этим, действенный способ. К тому же, благодаря современной технологии обеззараживания воды гипохлоритом натрия сегодня можно значительно уменьшить вредность воздействия данного метода на окружающую среду. Само собой, по сравнению с традиционным жидким хлором этот метод более дорогой, но зато куда более безопасный.
В поисках безреагентных методов или реагентов, не изменяющих химического состава воды, обратили внимание на озон. Впервые эксперименты с определением бактерицидных свойств озона были проведены во Франции в 1886 г. Первая в мире производственная озонаторная установка была построена в 1911 г. в Петербурге.
В настоящее время метод озонирования воды является одним из самых перспективных и уже находит применение во многих странах мира -- Франции, США т. д. У нас озонируют воду в Москве, Ярославле, Челябинске, на Украине (Киев, Днепропетровск, Запорожье и др.).
Озон (О3) -- газ бледно-фиолетового цвета с характерным запахом. Молекула озона легко отщепляет атом кислорода. При разложении озона в воде в качестве промежуточных продуктов образуются короткоживущие свободные радикалы НО2 и ОН. Атомарный кислород и свободные радикалы, являясь сильными окислителями, обусловливают бактерицидные свойства озона.
Наряду с бактерицидным действием озона в процессе обработки воды происходит обесцвечивание и устранение привкусов и запахов.Озон получают непосредственно на водопроводных станциях путем тихого электрического разряда в воздухе. Установка для озонирования воды объединяет блоки кондиционирования воздуха, получения озона и смешения его с обеззараживаемой водой. Косвенным показателем эффективности озонирования является остаточный озон на уровне 0,1-0,3 мг/л после камеры смешения.
Преимущества озона перед хлором при обеззараживании воды состоит в том, что озон не образует в воде токсических соединений (хлорорганических соединений, диоксинов, хлорфенолов и др.), улучшает органолептические показатели воды и обеспечивает бактерицидный эффект при меньшем времени контакта (до 10 мин). Он более эффективен по отношению к патогенным простейшим -- дизентерийной амебе, лямблиям и др.
Широкое внедрение озонирования в практику обеззараживания воды сдерживается высокой энергоемкостью процесса получения озона и несовершенством аппаратуры.
Олигодинамическое действие серебра в течение длительного времени рассматривалось как средство для обеззараживания преимущественно индивидуальных запасов воды. Серебро обладает выраженным бактериостатическим действием. Даже при введении в воду незначительного количества ионов микроорганизмы прекращают размножение, хотя остаются живыми и даже способными вызвать заболевание. Концентрации серебра, способные вызвать гибель большинства микроорганизмов, при длительном употреблении воды токсичны для человека. Поэтому серебро в основном применяется для консервирования воды при длительном хранении ее в плавании, космонавтике и т. д.
Для обеззараживания индивидуальных запасов воды применяются таблетированные формы, содержащие хлор.
Подобные таблетки для обеззараживания питьевой воды идеально подходят для максимально эффективного очищения воды, полученной из природных водных источников. Однако, данные препараты бывают разные, с совершенно различным содержанием хлора, поэтому необходимо внимательно следить за дозировкой. Кроме того, нужно внимательно следить и за сроком годности таких таблеток, иначе вы рискуете не получить нужного результата.
Аквасепт -- таблетки, содержащие 4 мг активного хлора мононатриевой соли дихлори-зоциануровой кислоты. Растворяется в воде в течение 2-3 мин, подкисляет воду и тем самым улучшает процесс обеззараживания.Пантоцид -- препарат из группы органических хлораминов, растворимость -- 15-30 мин., выделяет 3 мг активного хлора.
К физическим методам относятся кипячение, облучение ультрафиолетовыми лучами, воздействие ультразвуковыми волнами, токами высокой частоты, гамма-лучами и др.
Преимущество физических методов обеззараживания перед химическими состоит в том, что они не изменяют химического состава воды, не ухудшают ее органолептических свойств. Но из-за их высокой стоимости и необходимости тщательной предварительной подготовки воды в водопроводных конструкциях применяется только ультрафиолетовое облучение, а приместном водоснабжении -- кипячение.
Ультрафиолетовые лучи обладают бактерицидным действием. Это было установлено еще в конце прошлого века А. Н. Маклановым. Максимально эффективен участок УФ-части оптического спектра в диапазоне волн от 200 до 275 нм. Максимум бактерицидного действия приходится на лучи с длиной волны 260 нм. Механизм бактерицидного действия УФ-облучения в настоящее время объясняют разрывом связей в энзимных системах бактериальной клетки, вызывающим нарушение микроструктуры и метаболизма клетки, приводящим к ее гибели. Динамика отмирания микрофлоры зависит от дозы и исходного содержания микроорганизмов. На эффективность обеззараживания оказывают влияние степень мутности, цветности воды и ее солевой состав. Необходимой предпосылкой для надежного обеззараживания воды УФ-лучами является ее предварительное осветление и обесцвечивание.
Преимущества ультрафиолетового облучения в том, что УФ-лучи не изменяют органолептических свойств воды и обладают более широким спектром антимикробного действия: уничтожают вирусы, споры бацилл и яйца гельминтов.
Ультразвук применяют для обеззараживания бытовых сточных вод, т. к. он эффективен в отношении всех видов микроорганизмов, в том числе и спор бацилл. Его эффективность не зависит от мутности и его применение неприводит к пенообразованию, которое часто имеет место при обеззараживании бытовых стоков.
Гамма-излучение очень эффективный метод. Эффект мгновенный. Уничтожение всех видов микроорганизмов, однако в практике водопроводов пока не находит применения.
Наиболее распространенными процессами водоочистки являются осветление и обеззараживание.
Помимо этого существуют специальные способы улучшения качества воды:
- умягчение воды (устранение катионов жесткости воды);
- обессоливание воды (снижение общей минерализации воды);
- обезжелезивание воды (снижение концентрации солей железа в воде);
- дегазация воды (удаление растворенных в воде газов);
- обезвреживание воды (удаление ядовитых веществ из воды);
- дезактивация воды (водоочистка от радиоактивных загрязнений).
Обеззараживание - завершающий этап процесса водоочистки. Цель - подавление жизнедеятельности содержащихся в воде болезнетворных микробов.
По способу воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяются на химические, или реагентные; физические, или безреагентные, и комбинированные. В первом случае должный эффект достигается внесением в воду биологически активных химических соединений; безреагентные методы обеззараживания подразумевают обработку воды физическими воздействиями, а в комбинированных используются одновременно химическое и физическое воздействия.
К химическим способам обеззараживания питьевой воды относят ее обработку окислителями: хлором, озоном и т. п., а также ионами тяжелых металлов. К физическим - обеззараживание ультрафиолетовыми лучами, ультразвуком и т. д.
Наиболее распространенным химическим методом обеззараживания воды является хлорирование. Это объясняется высокой эффективностью, простотой используемого технологического оборудования, дешевизной применяемого реагента и относительной простотой обслуживания.
При хлорировании используют хлорную известь, хлор и его производные, под действием которых бактерии и вирусы, находящиеся в воде, погибают в результате окисления веществ.
Кроме главной функции - дезинфекции, благодаря окислительным свойствам и консервирующему эффекту последействия, хлор служит и другим целям - контролю за вкусовыми качествами и запахом, предотвращению роста водорослей, поддержанию в чистоте фильтров, удалению железа и марганца, разрушению сероводорода, обесцвечиванию и т.п.
По мнению экспертов, применение газообразного хлора приводит к потенциальному риску здоровью человека. Это связанно прежде всего с возможностью образования тригалометанов: хлороформа, дихлорбромметана, дибромхлорметана и бромоформа. Образование тригалометанов обусловлено взаимодействием соединений активного хлора с органическими веществами природного происхождения. Эти производные метана обладают выраженным канцерогенным эффектом, что способствуют образованию раковых клеток. При кипячении хлорированной воды в ней образуется сильнейший яд - диоксин.
Исследования подтверждают взаимосвязь хлора и его побочных продуктов с возникновением таких болезней, как рак органов пищеварительного тракта, печени, сердечные расстройства, атеросклероз, гипертония, различные виды аллергии. Хлор воздействует на кожу и волосы, а также разрушает белок в организме.
Одним из наиболее перспективных способов обеззараживания природной воды является использование гипохлорита натрия (NaClO), получаемого на месте потребления путем электролиза 2-4%-ных растворов хлорида натрия (поваренной соли) или природных минерализованных вод, содержащих не менее 50 мг/л хлорид-ионов.
Окислительное и бактерицидное действие гипохлорита натрия идентично растворенному хлору , кроме того, он обладает пролонгированным бактерицидным действием.
Основными достоинствами технологии обеззараживания воды гипохлоритом натрия является безопасность ее применения и значительное уменьшение воздействия на окружающую среду по сравнению с жидким хлором.
Наряду с достоинствами у обеззараживания воды гипохлоритом натрия, производимым на месте потребления, имеется и ряд недостатков, прежде всего - повышенный расход поваренной соли, обусловленный низкой степенью ее конверсии (до 10-20%). При этом остальные 80-90% соли в виде балласта вводятся с раствором гипохлорита в обрабатываемую воду, повышая ее солесодержание. Снижение же концентрации соли в растворе, предпринимаемое ради экономии, увеличивает затраты электроэнергии и расход анодных материалов.
Некоторые эксперты считают, что замена газообразного хлора гипохлоритом натрия или кальция для дезинфекции воды вместо молекулярного хлора не снижает, а значительно увеличивает вероятность образования тригалометанов. Ухудшение качества воды при применении гипохлорита, по их мнению, связано с тем, что процесс образования тригалометанов растянут во времени до нескольких часов, а их количество при прочих равных условиях тем больше, чем больше pH (величина, характеризующая концентрацию ионов водорода). Поэтому наиболее рациональным методом уменьшения побочных продуктов хлорирования является снижение концентрации органических веществ на стадиях очистки воды до хлорирования.
Альтернативные методы обеззараживания воды, связанные с использованием серебра, являются слишком дорогостоящими. Был предложен альтернативный хлорированию метод обеззараживания воды с помощью озона, но оказалось, что озон тоже вступает в реакцию со многими веществами в воде - с фенолом, и образовавшиеся в результате продукты еще токсичнее хлорфенольных. Кроме того, озон очень нестоек и быстро разрушается, поэтому его бактерицидное действие непродолжительно.
Из физических способов обеззараживания питьевой воды наибольшее распространение получило обеззараживание вод ы ультрафиолетовыми лучами, бактерицидные свойства которых обусловлены действием на клеточный обмен и, особенно, на ферментные системы бактериальной клетки. Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и споровые формы бактерий, и не изменяют органолептических свойств воды. Основным недостатком метода является полное отсутствие последействия. Кроме того, этот метод требует больших капитальных вложений, чем хлорирование.
Материал подготовлен на основе информации открытых источников
Дезинфекция и обеззараживание воды - это один и тот же процесс. Он направлен на полное или частичное уничтожение содержащихся в жидкости вирусов, бактерий, очищение ее от пыли, мусора и проч. Цель мероприятия - защитить человека от вирусных и инфекционных заболеваний, пищевых отравлений, глистной инвазии. В статье мы познакомим вас с несколькими способами обеззараживания воды - традиционными и инновационными, промышленными и пригодными для применения в полевых условиях.
Прежде всего, отметим факт, что полное очищение от всех содержащихся в ней элементов (в том числе и бактерий) сделает жидкость полностью непригодной для питья и приготовления пищи. Оттого нужно с толком выбирать способ обеззараживания воды, быть уверенными в его качественном воплощении.
Дезинфекции всегда должно предшествовать химико-биологическое исследование жидкости. Уже на основе его результатов выбирают один из методов обеззараживания:
Каждый из них - это способ обеззараживания воды, но по собственной определенной методике. Например, химический - это воздействие с помощью реагентов-коагулянтов, физические методы - безреагентное воздействие. Выделяются еще и инновационные, которые мы обязательно разберем на протяжении материала.
Интересно применение комбинированных методов - это применение и физического, и химического очищения попеременно. Считается на сегодня самым эффективным в дезинфекции - не только позволяет избавиться от бактерий, но и помогает не допустить их повторного визита. Применение нескольких способов обеззараживания воды - это и гарантия ее очистки от максимального количества загрязнителей.
В частности, это обработка жидкости различными веществами - химическими коагулянтами. Наиболее распространены:
Эффективность этих способов обеззараживания питьевой воды зависит от максимально точно определенной дозы воздействующего реагента, от должного времени его контакта с очищаемой жидкостью.
Подходящую дозировку определяют как системой расчетов, так и пробной дезинфекцией, после которой воду берут на анализ. Важно не просчитаться и в том плане, что малая доза химических реагентов не только бессильна против вирусов и инфекций, но и может поспособствовать повышению их активности. Например, тот же озон в небольших количествах убивает лишь часть бактерий, выделяя особые соединения, что пробуждают спящие микроорганизмы, стимулируя их на ускоренное размножение.
Отсюда дозу всегда рассчитывают с избытком. Но одно дело - способы а другое дело - питьевых. Избыток должен в последнем случае быть таким, чтобы не вызвать у употребляющих жидкость людей отравление дезинфицирующими веществами.
Предлагаем вам подробнее ознакомиться с химической методикой.
Если попросить обывателей: "Укажите самый простой способ обеззараживания воды", многие сразу же отметят хлорирование. И неспроста - как метод дезинфекции оно очень распространено в России. Объясняется это несомненными плюсами хлорирования:
Однако у средства есть и свои минусы:
На сегодня современной заменой является более эффективный в обеззараживании. Но существенный минус - его нужно применять сразу на месте производства.
Многие считают самым надежным способом обеззараживания воды именно озонирование. Газ озон способен разрушать ферментную систему микробной, вирусной клетки, окислять некоторые соединения, придающие жидкости неприятный запах.
Достоинства метода следующие:
При этом у озонирования есть и ряд недостатков:
Еще один популярный химический способ - использование полимерных реагентов. Самым известным на сегодня является "Биопаг". Чаще всего его применяют в общественных бассейнах, аквапарках.
Достоинства этого способа очистки и обеззараживания воды:
Недостатки - может раздражать кожу, слизистую оболочку.
Какие способы обеззараживания воды можно назвать в данном случае? Это несколько вариантов:
Сюда будут относиться нехимические способы воздействия на микроорганизмы в жидкости. Их применению чаще всего предшествует фильтрация и Это удаляет взвешенные частицы, яйца глистов, внушительную часть находящихся в жидкости микробов.
Самые распространенные способы:
Давайте разберем каждый из них более подробно.
Важно рассчитать необходимую долю воздействующей энергии на определенный объем воды. Для этого перемножают мощность излучения и время контакта с жидкостью. Важно предварительно определить концентрацию микроорганизмов в 1 мл воды, число индикаторных бактерий (в частности, кишечной палочки).
Отметим, что УФ-лучи будут пагубно воздействовать на микроорганизмы лучше хлора. Озон же по результатам очистки будет равен по эффективности облучению. УФ-лучи воздействуют и на ферментный обмен, и на клеточные структуры бактерий и вирусов. Что важно, уничтожают вегетативные,споровые формы.
Достоинства метода такие:
Но есть и недостатки:
Способ обеззараживания воды в полевых условиях с помощью УФ-излучения продемонстрирован на картинке.
Действие тут основано на кавитации. Так называется способность ряда звуковых частот образовать пустоты, создающие большую разницу в давлении.Этот диссонанс приводит к разрыву клеточных оболочек вирусов, бактерий, что ведет к гибели микроорганизмов. Эффективность зависит от интенсивности колебаний звука.
Такой метод мало распространен в первую очередь из-за своей дороговизны. Необходимо определенное оборудование, специально подготовленный персонал. Важно помнить о том, что опасен ультразвук для бактерий только на определенных частотах. Низкие волны, напротив, способны вызвать ускорение роста числа микроорганизмов в воде.
Самый простой и распространенный способ обеззараживания воды в полевых условиях - это, конечно, кипячение. Его популярность и общепризнанность основывается на многих факторах:
От простых способов обеззараживания воды перейдем к комплексным, что являются самыми эффективными в ряде случаев. Например, это сочетание УФ-облучения и хлорирования, озонирования и хлорирования (препятствие вторичному заражению), безреагентные и реагентные методы.
В эту же категорию часто относят и фильтрование. Но с той особенностью, что каждая ячейка фильтра по размерам должна быть меньше, чем отсеиваемые микроорганизмы. А это значит, что ее диаметр не должен превышать 1 микрон. Но таким образом можно бороться только с бактериями. Против вирусов применяют более микроскопические поры - с диаметром менее 0,1-0,2 мкм.
На современном рынке популярна система фильтрации под названием "Пурифайер". Устройство отличается тем, что использует несколько систем фильтрации воды, ее обеззараживания. Некоторые модели дополнительно могут охлаждать воду до 4 градусов и нагревать до 95 градусов.
Установка применима и в промышленных, и в офисных, домашних масштабах. К водопроводной трубе ее достаточно просто подсоединить пластиковым переходником. Производители уверяют, что приобретение, подключение и работа "Пурифайера" будет обходиться владельцу дешевле, нежели доставка бутилированной воды.
Самыми новыми на сегодня способами обеззараживания воды будут электрохимический и электроимпульсный. На отечественном рынке они используются в таких устройствах, как "Изумруд", "Сапфир", "Аквамарин".
Их функционирование основано на работе специального электрохимического диафрагменного реактора, через который и пропускается вода. Он, в свою очередь, разделен металлокерамической мембраной, что способна производить ультрафильтрацию на катодные и анодные зоны.
В момент, когда в анодные и катодные камеры подают ток, в них начинают образовываться растворы - щелочной и кислотный. Затем - электролитическое образование (другое его название - активный хлор). Вся эта среда отличительна тем, что в ней активно гибнет подавляющее число видов вредных микроорганизмов. Также она способна разрушать некоторые соединения, растворенные в жидкости.
Производительность представленных аппаратов главным образом зависит от двух факторов: количества рабочих элементов и их конструкции. В каких-то агрегатах используются католиты и анолиты (в основном в медицинской сфере). Подобное обеззараживание называется ЭХА-технологией.
С ней, кстати, связаны многие заблуждения. Некоторые производители устройств заявляют, что обработанная в их агрегате вода становится целебной и даже чудодейственной. Однако на деле она всего лишь очищается и обеззараживается.
Электроимпульсная же очистка - это пропускание через толщу воды электроразряда. Ударная волна сверхвысокого давления, световое излучение, образование озона - следствие воздействия. Это все вместе губительно для микроорганизмов, взвешенных в жидкости.
Мы познакомились с разными методами обеззараживания воды - простыми и комплексными, традиционными и инновационными, эффективными и безопасными для человека. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Однако ведущий фактор - безвредность для организма человека, окружающей среды.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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;
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.
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:
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.
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.
Распространены три основных метода получения диоксида хлора:
– взаимодействие хлорита натрия с соляной кислотой:
5NaClO 2 + 4HCl = 4ClO 2 + 5NaCl + 2H 2 O;
– 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 2 SO 4 + 2H 2 O = 2ClO 2 + 2O 2 + Na 2 SO 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.
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 2 O
или электрохимическим методом по реакции:
NaCl + H 2 O = 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 2 O = 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.
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.
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.
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».
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.
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».
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 2 SO 4 + 3BaO 2 = 3BaSO 4 + O 3 + 3H 2 O.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
Министерство образования Республики Башкортостан
Государственное бюджетное образовательное учреждение
Среднего профессионального учреждения
«Аксеновский сельскохозяйственный техникум»
По дисциплине: Биология
На тему: Современные методы обеззараживание воды.
Проверил преподаватель: Выполнил студент
Тимербаев С.А. Специальности «Агрономия»
Оценка________ Виталий Павлов
Подпись_________ группы А-14
с. Ким 2015 г
Введение
Среди многих отраслей современной техники, направленных на повышение уровня жизни людей, благоустройства населенных мест и развития промышленности, водоснабжение занимает большое и почетное место. Ведь вода – это непременная часть всех живых организмов, жизнедеятельность которых без воды невозможна. Для нормального течения физиологических процессов в организме человека и для создания благоприятных условий жизни людей очень важно гигиеническое значение воды. В настоящее время обеспечение населения водой высокого качества стало настоящей проблемой.
Проблема питьевого водоснабжения затрагивает очень многие стороны жизни человеческого общества в течение всей истории его существования. В настоящее время это проблема социальная, политическая, медицинская, географическая, а также инженерная и экономическая. На питьевые и бытовые потребности населения, коммунальных объектов, лечебно-профилактических учреждений, а также на технологические нужды предприятий пищевой промышленности расходуется около 5-6% общего водопотребления. Технически обеспечить подачу такого количества воды нетрудно, но потребности должны удовлетворяться водой определённого качества, так называемой питьевой водой.
Питьевая вода – это вода, отвечающая по своему качеству в естественном состоянии или после обработки (очистки, обеззараживания) установленным нормативным требованиям и предназначенная для питьевых и бытовых нужд человека. Основные требования к качеству питьевой воды: быть безопасной в эпидемическом и радиационном отношении, быть безвредной по химическому составу, обладать благоприятными органолептическими свойствами. Для удовлетворения этих требований в настоящее время используется целый комплекс мер по подготовке питьевой воды.
Конечно, в реках и других водоёмах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает очень медленно. Реки уже давно не справляются со сбросами сточных вод и другими источниками загрязнения. А ведь уровень бактерицидного воздействия в сточных водах часто превышает норму в тысячи и миллионы раз. Стоки попадают в реки и озёра, а большинство городских водоканалов берут воду именно из них. Таким образом, обязательными процессами в подготовке питьевой воды являются качественная очистка и обеззараживание сточных вод.
Обеззараживанием воды называется процесс уничтожения находящихся там микроорганизмов. В процессе первичной очистки вод задерживаются до 98% бактерий. Но среди оставшихся бактерий, а также среди вирусов могут находиться патогенные (болезнетворные) микробы, для уничтожения которых нужна специальная обработка воды – её обеззараживание.
При полной очистке поверхностных вод обеззараживание необходимо всегда, а при использовании подземных вод – только тогда, когда микробиологические свойства исходной воды этого требуют. Но на практике использование для питья и подземных, и поверхностных вод практически всегда без обеззараживания невозможно.
Вода природных источников питьевого водоснабжения, как правило, не соответствует гигиеническим требованиям к питьевой воде и требует перед подачей населению подготовки - очистки и обеззараживания.
Очистка воды, включающая её осветление и обесцвечивание, является первым этапом в подготовке питьевой воды. В результате её из воды удаляются взвешенные вещества, яйца гельминтов и значительная часть микроорганизмов. Но часть патогенных бактерий и вирусов проникает через очистные сооружения и содержится в фильтрованной воде. Для создания надёжного и управляемого барьера на пути возможной передачи через воду кишечных инфекций и других не менее опасных болезней применяется её обеззараживание, т.е. уничтожение живых и вирулентных патогенных микроорганизмов – бактерий и вирусов. Ведь именно микробиологические загрязнения воды занимают первое место в оценке степени риска для здоровья человека. Сегодня доказано, что опасность заболеваний от присутствующих в воде болезнетворных микроорганизмов в тысячи раз выше, чем при загрязнении воды химическими соединениями различной природы. Поэтому обеззараживание до пределов, отвечающих установленным гигиеническим нормативам, является обязательным условием получения воды питьевого качества.
В практике коммунального водоснабжения используют реагентные (хлорирование, озонирование, воздействие препаратами серебра), безреагентные (ультрафиолетовые лучи, воздействие импульсными электрическими разрядами, гамма-лучами и др.) и комбинированные методы обеззараживания воды. В первом случае должный эффект достигается внесением в воду биологически активных химических соединений. Безреагентные методы обеззараживания подразумевают обработку воды физическими воздействиями. А в комбинированных методах используются одновременно химическое и физическое воздействия.
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 микронаселения воды, зависимость эффекта от условий среды.
При химических способах обеззараживания питьевой воды для достижения стойкого обеззараживающего эффекта необходимо правильно определить дозу вводимого реагента и обеспечить достаточную длительность его контакта с водой. Доза реагента определяется пробным обеззараживанием или расчетными методами. Для поддержания необходимого эффекта при химических способах обеззараживания питьевой воды доза реагента рассчитывается с избытком (остаточный хлор, остаточный озон), гарантирующим уничтожение микроорганизмов, попадающих в воду некоторое время после обеззараживания.
При физических способах необходимо подвести к единице объема воды заданное количество энергии, определяемое как произведение интенсивности воздействия (мощности излучения) на время контакта.
Существуют и другие ограничения в использовании того или иного метода обеззараживания воды. На этих ограничениях, а также на достоинствах и недостатках методов обеззараживания мы подробно остановимся ниже.
2.1 Хлорирование
Самый распространенный и проверенный способ дезинфекции воды – первичное хлорирование. В настоящее время этим методом обеззараживается 98,6 % воды. Причина этого заключается в повышенной эффективности обеззараживания воды и экономичности технологического процесса в сравнении с другими существующими способами. Хлорирование позволяет не только очистить воду от нежелательных органических и биологических примесей, но и полностью удалить растворенные соли железа и марганца. Другое важнейшее преимущество этого способа – его способность обеспечить микробиологическую безопасность воды при ее транспортировании пользователю благодаря эффекту последействия.
Существенный недостаток хлорирования – присутствие в обработанной воде свободного хлора, ухудшающее ее органолептические свойства и являющееся причиной образования побочных галогенсодержащих соединений (ГСС). Бόльшую часть ГСС составляют тригалометаны (ТГМ) – хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан и бромоформ. Их образование обусловлено взаимодействием соединений активного хлора с органическими веществами природного происхождения. Этот процесс растянут по времени до нескольких десятков часов, а количество образующихся ТГМ при прочих равных условиях тем больше, чем выше рН воды. Для устранения примесей требуется доочистка воды на угольных фильтрах. 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 и соответствуют современным научным представлениям о степени их опасности для здоровья.
Для хлорирования воды используются такие вещества как собственно хлор (жидкий или газообразный), диоксид хлора и другие хлорсодержащие вещества.
Хлор является наиболее распространённым из всех веществ, используемых для обеззараживания питьевой воды. Это объясняется высокой эффективностью, простотой используемого технологического оборудования, дешевизной применяемого реагента – жидкого или газообразного хлора – и относительной простотой обслуживания.
Очень важным и ценным качеством использования хлора является его последействие. Если количество хлора взято с некоторым расчетным избытком, так чтобы после прохождения очистных сооружений в воде содержалось 0,3–0,5 мг/л остаточного хлора, то не происходит вторичного роста микроорганизмов в воде.
Однако, хлор является сильнодействующим токсическим веществом, требующим соблюдения специальных мер по обеспечению безопасности при его транспортировке, хранении и использовании; мер по предупреждению катастрофических последствий в чрезвычайных аварийных ситуациях. Поэтому ведется постоянный поиск реагентов, сочетающих положительные качества хлора и не имеющих его недостатков.
Одновременно с обеззараживанием воды протекают реакции окисления органических соединений, при которых в воде образуются хлорорганические соединения, обладающие высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью. Последующая очистка воды на активном угле не всегда может удалить эти соединения. Кроме того, что эти хлорорганические соединения, обладающие высокой стойкостью, становятся загрязнителями питьевой воды, они, пройдя через систему водоснабжения и канализации, вызывают загрязнение рек вниз по течению.
Присутствие в воде побочных соединений – один из недостатков использования в качестве дезинфектанта газообразного, а равно и жидкого хлора (Cl2).
2.1.2 Диоксид хлора
В настоящее время для обеззараживания питьевой воды также предлагается применение диоксида хлора (ClO2), который обладает рядом преимуществ, таких как: более высокое бактерицидное и дезодорирующее действие, отсутствие в продуктах обработки хлорорганических соединений, улучшение органолептических качеств воды, отсутствие необходимости перевозки жидкого хлора. Однако диоксид хлора дорог и должен производиться на месте по достаточно сложной технологии. Его применение имеет перспективу для установок относительно небольшой производительности.
Действие на болезнетворную флору ClО2 обусловлено не только высоким содержанием при реакции высвобождающегося хлора, но и образующимся атомарным кислородом. Именно это сочетание делает диоксид хлора более сильным обеззараживающим агентом. Кроме того, он не ухудшает вкус и запах воды. Сдерживающим фактором в использовании данного дезинфектанта до последнего времени была повышенная взрывоопасность, осложнявшая его производство, транспортировку и хранение. Однако современные технологии позволяют устранить этот недостаток за счет производства диоксида хлора непосредственно на месте применения.
2.1.3 Гипохлорит натрия
Технология применения гипохлорита натрия (NaClO) основана на его способности распадаться в воде с образованием диоксида хлора. Применение концентрированного гипохлорита натрия на треть снижает вторичное загрязнение, в сравнении с использованием газообразного хлора. Кроме того, транспортировка и хранение концентрированного раствора NaClO достаточно просты и не требуют повышенных мер безопасности. Также получение гипохлорита натрия возможно и непосредственно на месте, путем электролиза. Электролитический метод характеризуют малые затраты и безопасность; реагент легко дозируется, что позволяет автоматизировать процесс обеззараживания воды.
Применение для обеззараживания воды хлорсодержащих реагентов (хлорной извести, гипохлоритов натрия и кальция) менее опасно в обслуживании и не требует сложных технологических решений. Правда, используемое 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. Остается необходимость устройства системы притяжно-вытяжной вентиляции и соблюдения мер безопасности для обслуживающего персонала. Растворы хлорсодержаших реагентов коррозионно-активны и требуют оборудования и трубопроводов из нержавеющих материалов или с антикоррозийным покрытием.
Все большее распространение, особенно на небольших станциях водоподготовки, приобретают 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.
питьевой водоснабжение обеззараживание
2.2 Озонирование
Преимущество озона (О3) перед другими дезинфектантами заключается в присущих ему дезинфицирующих и окислительных свойствах, обусловленных выделением при контакте с органическими объектами активного атомарного кислорода, разрушающего ферментные системы микробных клеток и окисляющего некоторые соединения, которые придают воде неприятный запах (например, гуминовые основания). Кроме уникальной способности уничтожения бактерий, озон обладает высокой эффективностью в уничтожении спор, цист и многих других патогенных микробов. Исторически применение озона началось еще в 1898 г. во Франции, где впервые были созданы опытно-промышленные установки по подготовке питьевой воды.
Количество озона, необходимое для обеззараживания питьевой воды, зависит от степени загрязнения воды и составляет 1–6 мг/л при контакте в 8–15 мин; количество остаточного озона должно составлять не более 0,3–0,5 мг/л, т. к. более высокая доза придает воде специфический запах и вызывает коррозию водопроводных труб.
С гигиенической точки зрения озонирование воды – один из лучших способов обеззараживания питьевой воды. При высокой степени обеззараживания воды оно обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде.
Ограничениями для распространения технологии озонирования являются высокая стоимость оборудования, большой расход электроэнергии, значительные производственные расходы, а также необходимость высококвалифицированного оборудования. Последний факт обусловил использование озона лишь при централизованном водоснабжении. Кроме того, в процессе эксплуатации установлено, что в ряде случаев (если температура обрабатываемой природной воды превышает 22 °С) озонирование не позволяет достичь требуемых микробиологических показателей по причине отсутствия эффекта пролонгации дезинфицирующего воздействия
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.
Другим существенным недостатком озонирования явялется токсичность озона. Предельно допустимое содержание этого газа в воздухе производственных помещений – 0,1 г/м3. К тому же существует опасность взрыва озоновоздушной смеси.
Существующие конструкции современных озонаторов представляют собой большое количество близко расположенных ячеек, образованных электродами, один из которых находится под высоким напряжением, а второй – заземлен. Между электродами с определенной периодичностью возникает электрический разряд, в результате которого в зоне действия ячеек из воздуха образуется озон. Полученной озоновоздушной смесью барботируют обрабатываемую воду. Подготовленная таким образом вода по вкусу, запаху и другим свойствам превосходит воду, обработанную хлором.
2.3 Другие реагентные способы дезинфекции воды
Применение тяжелых металлов (медь, серебро и др.) для обеззараживания питьевой воды основано на использовании их «олигодинамического» свойства – способности оказывать бактерицидное действие в малых концентрациях. Эти металлы могут вводиться в виде растворов солей либо методом электрохимического растворения. В обоих этих случаях возможен косвенный контроль их содержания в воде. Следует заметить, что ПДК ионов серебра и меди в питьевой воде достаточно жесткие, а требования к воде, сбрасываемой в рыбохозяйственные водоемы, еще выше.
К химическим способам обеззараживания питьевой воды относится также широко применявшееся в начале 20 в. обеззараживание соединениями брома и йода, обладающими более выраженными бактерицидными свойствами, чем хлор, но требующими и более сложной технологии. В современной практике для обеззараживания питьевой воды йодированием предлагается использовать специальные иониты, насыщенные йодом. При пропускании через них воды йод постепенно вымывается из ионита, обеспечивая необходимую дозу в воде. Такое решение приемлемо для малогабаритных индивидуальных установок. Существенным недостатком является изменение концентрации йода во время работы и отсутствие постоянного контроля его концентрации.
Применение активных углей и катионитов, насыщенных серебром, например, С-100 Ag или С-150 Ag фирмы « Purolite », преследует цели не «серебрения» воды, а предотвращения развития микроорганизмов при прекращении движения воды. При остановках создаются идеальные условиях для их размножения – большое количество органики, задержанное на поверхности частиц, их огромная площадь и повышенная температура. Наличие серебра в структуре этих частиц резко уменьшает вероятность обсеменения слоя загрузки. Серебросодержащие катиониты разработки ОАО НИИПМ – КУ-23СМ и КУ-23СП – содержат в себе значительно большее количество серебра и предназначены для обеззараживания воды в установках небольшой производительности.
3.1 Кипячение
Из физических способов обеззараживания воды наиболее распространенным и надежным (в частности, в домашних условиях) является кипячение.
При кипячении происходит уничтожение большинства бактерий, вирусов, бактериофагов, антибиотиков и других биологических объектов, которые часто содержатся в открытых водоисточниках, а как следствие и в системах центрального водоснабжения.
Кроме того, при кипячении воды удаляются растворенные в ней газы и уменьшается жесткость. Вкусовые качества воды при кипячении меняются мало. Правда для надежной дезинфекции рекомендуется кипятить воду в течение 15 – 20 минут, т.к. при кратковременном кипячении некоторые микроорганизмы, их споры, яйца гельминтов могут сохранить жизнеспособность (особенно если микроорганизмы адсорбированы на твердых частицах). Однако применение кипячения в промышленных масштабах, конечно же, не представляется возможным ввиду высокой стоимости метода.
3.2 Ультрафиолетовое излучение
Обработка УФ-излучением – перспективный промышленный способ дезинфекции воды. При этом применяется свет с длиной волны 254 нм (или близкой к ней), который называют бактерицидным. Дезинфицирующие свойства такого света обусловлены их действием на клеточный обмен и особенно на ферментные системы бактериальной клетки. При этом бактерицидный свет уничтожает не только вегетативные, но и споровые формы бактерий.
Современные установки УФ-обеззараживания имеют производительность от 1 до 50 000 м3/ч и представляют собой выполненную из нержавеющей стали камеру с размещенными внутри УФ-лампами, защищенными от контакта с водой прозрачными кварцевыми чехлами. Вода, проходя через камеру обеззараживания, непрерывно подвергается облучению ультрафиолетом, который убивает все находящиеся в ней микроорганизмы. Наибольший эффект обеззараживания питьевой воды достигается при расположении УФ-установок после всех других систем очистки, как можно ближе к месту конечного потребления.
Этот способ приемлем как в качестве альтернативы, так и дополнения к традиционным средствам дезинфекции, поскольку абсолютно безопасен и эффективен.
Важно отметить, что в отличие от окислительных способов при УФ-облучении не образуются вторичные токсины, и поэтому верхнего порога дозы ультрафиолетового облучения не существует. Увеличением дозы почти всегда можно добиться желаемого уровня обеззараживания.
Кроме того УФ-облучение не ухудшает органолептические свойства воды, поэтому может быть отнесено к экологически чистым методам ее обработки.
Вместе с тем, и этот способ имеет определенные недостатки. Подобно озонированию, УФ-обработка не обеспечивает пролонгированного действия. Именно отсутствие последействия делает проблематичным ее применение в случаях, когда временной интервал между воздействием на воду и ее потреблением достаточно велик, например в случае централизованного водоснабжения. Для индивидуального водоснабжения УФ-установки являются наиболее привлекательными.
Кроме того, возможны реактивация микроорганизмов и даже выработка новых штаммов, устойчивых к лучевому поражению.
Этот способ требует строжайшего соблюдения технологии,
Организация процесса УФ-обеззараживания требует больших капитальных вложений, чем хлорирование, но меньших, чем озонирование. Более низкие эксплуатационные расходы делают УФ-обеззараживание и хлорирование сопоставимыми в экономическом плане. Расход электроэнергии незначителен, а стоимость ежегодной замены ламп составляет не более 10% от цены установки.
Фактором, снижающим эффективность работы установок УФ-обеззараживания при длительной эксплуатации, является загрязнение кварцевых чехлов ламп отложениями органического и минерального состава. Крупные установки снабжаются автоматической системой очистки, осуществляющей промывку путем циркуляции через установку воды с добавлением пищевых кислот. В остальных случаях применяется механическая очистка.
Другим фактором, снижающим эффективность УФ-обеззараживания, является мутность исходной воды. Рассеивание лучей значительно ухудшает эффективность обработки воды.
3.3 Электроимпульсный способ
Достаточно новым способом обеззараживания воды является электроимпульсный способ – использование импульсивных электрических разрядов (ИЭР).
Сущность метода заключается в возникновении электрогидравлического удара, так называемого эффекта Л. А. Юткина.
Технологический процесс состоит из шести ступеней:
подача жидкости в рабочий объём при равномерном профиле распределения скорости (причём рабочий объём заполняют с воздушным промежутком, а равномерный профиль распределения жидкости помогает уменьшить энергоёмкость процесса),
зарядку накопителя электроэнергии в режиме постоянной мощности,
инициирование одного или серии электрических разрядов в жидкости при скорости нарастания переднего фронта напряжения не менее 1010 В/с (энергию дозируют путём отсчёта зарядов),
усиление эффекта разрушения микроорганизмов за счет формирования волн растяжения при отражении волн сжатия, образованных электрическим разрядом от свободной поверхности жидкости,
подавление или гашение ударных волн в подводящих и отводящих жидкость магистралях для исключения их разрушения,
отведение обеззараженной жидкости из рабочего объёма.
Кроме того, в частном случае возможно инициирование электрических разрядов в объеме, отделенном от рабочего объема средой, сохраняющей или увеличивающей амплитуду волн сжатия. Примером материала, являющегося средой, сохраняющей амплитуду волны на границе с водой, может быть пенополистирол.
В процессе обеззараживания питьевой воды электроимпульсным способом происходит большое количество явлений: мощные гидравлические процессы, образование ударных волн сверхвысокого давления, образование озона, явления кавитации, интенсивные ультразвуковые колебания, возникновение импульсивных магнетических и электрических полей, повышение температуры. Результатом всех этих явлений является уничтожение в воде практически всех патогенных микроорганизмов. Очень важно заметить, что вода, обработанная ИЭР, приобретает бактерицидные свойства, которые сохраняются до 4 мес.
Основным преимуществом электроимпульсного способа обеззараживания питьевой воды является экологическая чистота, а так же возможность использования в больших объемах жидкости.
Однако этот способ имеет ряд недостатков, в частности относительно высокую энергоемкость (0,2-1 кВтч/м3) и, как следствие – дороговизну.
Электрохимический метод.
Серийно производятся установки «Изумруд», «Сапфир», «Аквамин» и т.п. Их работа основана на пропускании воды через электрохимический диафрагменный реактор, разделенный ультрафильтрационной металлокерамической мембраной на катодную и анодную область. При подаче постоянного тока в катодной и анодной камерах происходит образование щелочного и кислого растворов, электролитическое образование активного хлора. В этих средах гибнут практически все микроорганизмы и происходит частичное разрушение органических загрязнений. Конструкция проточного электрохимического элемента хорошо отработана, и набором из различного числа таких элементов получают установки заданной производительности.
3.4 Обеззараживание ультразвуком
В некоторых случаях для обеззараживания воды используется ультразвук. Впервые этот метод был предложен в 1928 г. Механизм действия ультразвука до конца неясен. По этому поводу высказываются следующие предположения:
Ультразвук вызывает образование пустот в сильно завихренном пространстве, что ведет к разрыву клеточной стенки бактерии;
Ультразвук вызывает выделение растворенного в жидкости газа, а пузырьки газа, находящиеся в бактериальной клетке, вызывают ее разрыв.
Преимуществом использования ультразвука перед многими другими средствамиобеззараживания сточных водслужит его нечувствительность к таким факторам, как высокая мутность и цветность воды, характер и количество микроорганизмов, а также наличие в воде растворенных веществ.
Единственный фактор, который влияет на эффективностьобеззараживания сточных вод ультразвуком - это интенсивность ультразвуковых колебаний. Ультразвук - это звуковые колебание, частота которых находится значительно выше уровня слышимости. Частота ультразвука от 20000 до 1000000 Гц, следствием чего и является его способность губительным образом сказываться на состоянии микроорганизмов. Бактерицидное действие ультразвука разной частоты весьма значительно и зависит от интенсивности звуковых колебаний.
Обеззараживание и очистка водыультразвуком считается одним из новейших методов дезинфекции. Ультразвуковое воздействие на потенциально опасные микроорганизмы не часто применяется в фильтрахобеззараживания питьевой воды, однако его высокая эффективность позволяет говорить о перспективности этого метода обеззараживания воды, не смотря на его дороговизну.
3.5 Радиационное обеззараживание
Имеются предложения использования для обеззараживания воды гамма-излучения.
Гамма-установки типа РХУНД работают по следующей схеме: вода поступает в полость сетчатого цилиндра приёмно-разделительного аппарата, где твёрдые включения увлекаются вверх шнеком, отжимаются в диффузоре и направляются в бункер – сборник. Затем вода разбавляется условно чистой водой до определённой концентрации и подаётся в аппарат гамма-установки, в котором под действием гамма излучения изотопа Со60 происходит процесс обеззараживания.
Гамма-излучение оказывает угнетающее действие на активность микробных дегидраз (ферментов). При больших дозах гамма-излучения погибает большинство возбудителей таких опасных заболеваний как тиф, полиомиелит и др.
3.6 Другие физические методы
К физико-химическим методам обеззараживания воды следует отнести использование с этой целью ионообменных смол. G.Gillissen (1960) показал способность анионообменных смол освобождать жидкость от бактерий группы соli. Возможна регенерация смолы. У нас Е.В.Штанников (1965) установил возможность очистки воды от вирусов ионообменными полимерами. По мнению автора этот эффект связан как с сорбцией вируса, так и с его денатурацией за счет кислотной или особенно щелочной реакции. В другой работе Штанникова указывается на возможность обеззараживания воды ионактивными полимерами, где находится токсин ботулизма. Обеззараживание происходит за счет окисления токсина и его сорбции.
Помимо указанных выше физических факторов изучалась возможность обеззараживания воды токами высокой частоты, магнитной обработкой.
Во многих случаях наиболее эффективным оказывается комплексное применение реагентных и безреагентных методов обеззараживания воды. Сочетание УФ-обеззараживания с последующим хлорированием малыми дозами обеспечивает как высочайшую степень очистки, так и отсутствие вторичного биозагрязнения воды. Так, обработкой воды бассейнов УФ-облучением в сочетании с хлорированием достигается не только высокая степень обеззараживания, снижение пороговой концентрации хлора в воде, но и, как следствие, существенная экономия средств на расходе хлора и улучшение обстановки в самом бассейне.
Аналогично распространяется использование озонирования, при котором уничтожается микрофлора и часть органических загрязнений, с последующим щадящим хлорированием, обеспечивающим отсутствие вторичного биозагрязнения воды. При этом резко сокращается образование токсичных хлорорганических веществ.
Поскольку все микроорганизмы характеризуются определенными размерами, пропуская воду через фильтрующую перегородку с размерами пор меньшими, чем микроорганизмы, можно полностью очистить от них воду. Так, фильтрующие элементы, имеющие размер пор менее 1 микрона, согласно действующим ТИ 10-5031536-73-10 на безалкогольную продукцию, считаются обеспложивающими, т. е. стерилизующими. Хотя при этом из воды удаляются только бактерии, но не вирусы. Для более «тонких» процессов, когда недопустимо присутствие любых микроорганизмов, например, в микроэлектронике, применяют фильтры с порами размером не более 0,1–0,2 мкм.
Заключение
Защита водных ресурсов от истощения и загрязнения и их рациональное использование для нужд народного хозяйства – одна из наиболее важных проблем, требующих безотлагательного решения.
Предприятия, осуществляющие забор воды из водоисточников, ее очистку, по уровню решаемых задач и обороту денежных средств занимают одно из ведущих мест в регионе. А стало быть эффективность использования материальных ресурсов в данной отрасли так или иначе сказывается на общем уровне благосостояния и здоровья людей, проживающих на данной территории. Рациональное, т.е. организованное с соблюдением санитарных правил и нормативов, питьевое водоснабжение помогает избегать различных эпидемий, кишечных инфекций. Химический состав питьевой воды также немаловажен для здоровья человека.
В современных условиях обеззараживание стало чуть ли не единственным обязательным процессом в многоступенчатой системе очистки воды питьевого водоснабжения. Коагулирование и фильтрование воды через песок освобождают ее от суспендированных примесей и частично снижают ее бактериальную загрязненность. Но только обеззараживанием воды можно на 98% очистить воду от патогенных (болезнетворных) микроорганизмов.
Постоянное совершенствование методов и средств, с помощью которых осуществляется дезинфекция, вызвано двумя факторами: развитием у микроорганизмов резистентности не только к антибиотикам, но и дезинфицирующим средствам, а также несовершенством используемых дезинфицирующих средств. Следует учитывать и то, что возможно и вторичное загрязнение уже подготовленной воды при транспортировке её по трубам распределительной сети.
В связи с этим поиск и внедрение наиболее рационального способа обеззараживания воды из проблемы актуальной переходит в раздел социально значимых.
Постоянное совершенствование дезинфицирующих средств приведёт к созданию новых, эффективных и безопасных соединений. Уже сейчас разрабатываются новые дезинфицирующие средства на основе таких традиционных групп химических соединений, как спирты, альдегиды, фенолы, перекиси, ПАВ и хлорсодержащие вещества. Кроме того, постоянно разрабатывается возможность их соединения для создания композитного дезинфицирующего средства.
Обеззараживание является заключительным этапом подготовки воды питьевой кондиции и должно обеспечивать эпидемиологическую безопасность населения.
Питьевая вода – это важнейший фактор здоровья и благополучия человека.
Мировой и отечественный опыт доказывает, что при использовании передовых технологий и оборудования качество воды (практически независимо от исходных ее характеристик) начинает соответствовать самым строгим нормативным требованиям. Это позволяет не только эффективно использовать естественные источники, но и успешно применять схемы рециркуляции. Такой подход, несомненно, поможет снизить антропогенную нагрузку с окружающей среды и сберечь ее для потомков.
Проблема обеззараживания воды стоит сегодня тем более остро, что качество ее в природных источниках неуклонно ухудшается. В государственном докладе «Вода питьевая» отмечено, что около 70 % рек и озер страны утратили свое качество как источники водоснабжения, а приблизительно 30 % подземных источников подверглись природному или антропогенному загрязнению. Около 22 % проб питьевой воды, отбираемых из водопроводов, не отвечают гигиеническим требованиям по санитарно-химическим нормам, а более 12 % – по микробиологическим показателям.
Список литературы
1. Водоснабжение. Проектирование систем и сооружений: В 3-х т. – Т. 2. Очистка и кондиционирование природных вод / Научно-методическое руководство и общая редактора докт. техн. наук, проф. Журбы М.Г. Вологда-Москва: ВоГТУ, 2001. – 324 с.
2. Мазаев В.Т., Корлёв А.А., Шлепнина Т.Г. Коммунальная гигиена / Под ред. В.Т. Мазаева. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: ГЭОТАР-Медиа, 2005. – 304 с.
3. Яковлев С.В, Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Учебник для вузов: – М.: АСВ, 2002 – 704 с.
