Обеззараживание воды

Для обеззараживания воды на водопроводах используются различные физические и химические методы.

Физические (нереагентные) методы обеззараживания воды: кипячение, обработка ультрафиолетовым (УФ) облучением, воздействие ультразвуковыми волнами, токами высокй частоты, гамма-лучами — применяются в зависимости от конкретных целей и условий обработки воды. Нереагентные методы обеззараживания имеют преимущества перед реагентными: они не изменяют химического состава воды, не приводят к образованию токсичных веществ, не ухудшают органолептических свойств воды, имеют широкий диапазон бактерицидного действия, т.к. действуют непосредственно на структуру микроорганизмов.

Наибольшее применение на водопроводных станциях имеет метод обеззараживания воды ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 200-275 нм; максимум бактерицидного действия УФ-лучами находится в диапазоне волн 260 нм. УФ-облучение воды вызывает быструю гибель вегетативных форм, вирусов, спор микроорганизмов, в том числе устойчивых к хлору.

При местном водоснабжении наиболее надёжным методом обеззараживания воды является кипячение. В результате кипячения в течение 3-5 мин погибают все имеющиеся в воде микроорганизмы, а после 30 мин вода становится стерильной (погибают споры бацилл).

К химическим (реагентным) методам относятся хлорирование, озонирование и обработка воды ионами серебра. Наиболее распространённым методом до настоящего времени является обработка воды соединениями хлора: газообразным хлором Cl2, двуокисью хлора ClО2, хлорной известью Са (ОСl)2 · СаО · Н2О, гипохлоритом кальция Са (ОСl)2, хлораминами. Во всех случаях при контакте этих хлорсодержащих соединений с водой выделяется хлорноватистая кислота, которая частично диссоциирует в воде с выделением гипохлоркатиона ОСl‾ и хлориона Сl ‾:

Cl2 + H2O → HOCl + HСl;

HOCl → OСl‾ + H +; OСl‾→Cl‾ + O.

Обеззараживающее действие оказывает гипохлорид-ион OСl‾ и недиссоциированная хлорноватистая кислота и рассматриваются как «активный хлор». Бактерицидный эффект активного хлора связывают с его окислительным действием на клеточные ферменты, входящие в состав бактериальной клетки, и прежде всего на SH- группы клеточной оболочки бактерий, регулирующие процессы дыхания и размножения. При обеззараживании воды хлором могут применяться разные способы хлорирования воды: нормальное хлорирование (хлорирование по хлорпотребности), хлорирование с преаммонизацией, хлорирование с учётом точки перелома, перехлорирование. На крупных водопроводах для хлорирования применяют газообразный хлор, поступающий в стальных баллонах или цистернах в сжиженном виде. Как правило, используется метод нормального хлорирования, т. е. метод хлорирования по хлорпотребности. Важное значение имеет выбор дозы, обеспечивающий надёжное обеззараживание. При введении хлорсодержащего реагента в воду основное его количество(более 95%) расходуется на окисление органических и легко окисляющихся (соли двухвалентного железа и марганца) неорганических веществ, содержащихся в воде, и 2-3 % от общего количества хлора — на бактерицидное действие. Количество активного хлора в миллиграммах, которое при хлорировании воды взаимодействует с органическими веществами и некоторыми солями, а также идёт на окисление и обеззараживание микроорганизмов в 1 л воды в течение 30 мин, называется хлорпоглощаемостью. Хлорпоглощаемость воды определяется экспериментально путём проведения пробного хлорирования, т. к. её количество зависит от степени загрязнения воды. Появление в воде остаточного активного хлора свидетельствует о завершении процесса хлорирования воды и служит косвенным показателем её безопасности в эпидемиологическом отношении. Присутствие остаточного активного хлора в концентрациях 0,3-0,5 мг/л является гарантией эффективного обеззараживания. Кроме того, наличие остаточного хлора необходимо для предотвращения вторичного загрязнения воды в водопроводной сети. Хлорпотребность воды - это общее количество активного хлора в миллиграммах, обеспечивающее достаточный эффект обеззараживания воды и определяемое хлорпоглощаемостью воды и наличием остаточного количества активного хлора (0,3-0,5 мг/л) в воде. Хлорирование воды по методу нормального хлорирования наиболее приемлемо при централизованном водоснабжении, т.к. небольшие количества остаточного хлора не изменяют органолептических свойств воды (вкус и запах) и не требуют последующего дехлорирования.

Хлорирование с переаммонизацией применяется для обеззараживания воды, загрязнённой промышленными сточными водами с присутствием фенолсодержащих органических соединений, которые при реакции со свободным хлором образуют хлорфенолы, даже в ничтожных количествах придающих воде сильный аптечный запах. При этом способе вода вначале обрабатывается раствором аммиака, а через 0,5-2 мин хлорируется, в результате чего происходит образование хлораминов, не обладающих неприятными запахами. Остаточное количество активного хлора в воде после обеззараживания её хлораминами в силу более слабого действия хлораминного хлора должно быть выше, чем свободного, и составлять не менее 0,8-1,2 мг/л.

При невозможности экспериментального определения хлорпоглощаемости воды используется метод перехлорирования. Перехлорирование проводят избыточными дозами хлорирующего препарата на основе оценки типа и состояния источника водоснабжения, качества очистки воды и эпидемической ситуации в зоне ограничений вокруг источника водоснабжения. Обеззараживание воды повышенными дозами хлора применяется обычно в полевых условиях, особенно при неудовлетворительных органолептических свойствах воды или неблагоприятном санитарно-топографическом состоянии территории вокруг водоисточника, а также при наличии случаев инфекционных заболеваний в районе. Доза активного хлора для перехлорирования выбирается так, чтобы заведомо превысить хлорпоглощаемость воды и обеспечить избыточное количество остаточного хлора. Это позволит сократить время контакта хлора с водой до 10-15 мин летом и до 30 мин зимой. Для обеззараживания воды повышенными дозами сравнительно чистой воды доза активного хлора обычно выбирается около 5-10 мг/л, для более загрязнённых вод с высокой цветностью и низкой прозрачностью используется доза в 10-20 мг/л, при сильном загрязнении воды и неудовлетворительной санитарно-эпидемической обстановке используется доза 20-30 мг/л и более.

Перехлорирование применяется для дезинфекции шахтных колодцев при вспышке кишечных инфекций в населённом месте, попадании в воду колодцев сточных вод, фекалий, трупов животных и др. или с профилактической целью по окончании строительства колодца, после его чистки или ремонта. Для этого используется обычно 100-150 мг активного хлора на 1 л воды с последующим перемешиванием и отстаиванием в течение 1,5 -2-6 ч и откачкой воды до исчезновения резкого запаха хлора. При обеззараживании воды методом перехлорирования обычно применяется хлорная известь, необходимое количество которой вычисляется исходя из намеченной дозы активного хлора и процентного содержания активного хлора в хлорной извести. Поскольку содержание остаточного хлора при перехлорировании может намного превышать допустимые дозы и вода приобретает неприятный вкус и запах, необходимо произвести удаление избытка хлора, т. е. дехлорировать воду. Для этого обычно применяется 0,01 н раствор гипосульфита натрия или фильтрация воды через активированный уголь.

Недостатками метода хлорирования является ухудшение органолептических свойств воды, образование в воде токсичных веществ (хлорорганических соединений, диоксинов, хлорфенолов), продолжительное время контактирования воды с хлором и сложность подбора дозы при хлорировании нормальными дозами. Кроме этого, бактерицидное действие химических реагентов распространяется не на все формы микроорганизмов. Однако высокая эффективность и технологическая надёжность делают метод хлорирования самым распространённым в практике питьевой воды как в нашей стране, так и за рубежом.

Ионы серебра обладают выраженным бактериостатическим действием. Введение даже незначительного количества ионов серебра приводит к инактивации ферментов протоплазмы бактериальных клеток (олигодинамический эффект), потере способности к размножению и постепенной гибели. Серебрение воды может осуществляться различными способами: фильтрацией воды через песок, обработанный солями серебра; электролизом воды с серебряным анодом в течение 2 ч, что ведёт к переходу катионов серебра в воду. Преимуществом метода является долгое хранение посеребрённой воды. Из-за высокой стоимости серебро применяется для обеззараживания и консервации небольших объёмов питьевой воды в системах автономного жизнеобеспечения. Метод не используется для воды с большим содержанием взвешенных органических веществ и ионов хлора.

Озонирование основано на окислении органических веществ и других загрязнений воды озоном О3, являющимся сильным окислителем. Бактерицидные свойства озона обусловлены присутствием в воде атомарного кислорода и свободных короткоживущих радикалов НО2 и ОН, которые образуются при разложении озона в воде. Показателем эффективности озонирования является остаточный озон в воде (0,03 мг/л). Преимущества метода состоят в том, что озон улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает надёжное обеззараживание воды при малом времени контакта — до 10 мин. Однако высокая энергоёмкость процесса получения озона затрудняет широкое внедрение этого метода.

Специальные методы улучшения качества воды, как правило, подземных источников, ввиду её высокой минерализации применяются с целью удаления из неё некоторых химических веществ и частичного улучшения органолептических свойств. К специальным методам обработки питьевой воды относятся: дезодорация, умягчение, опреснение, обезжелезивание, деконтаминация и др. Дезодорация (устранение неприятных запахов) достигается за счёт обработки воды окислителями (озонирование, большие дозы хлора, марганцевокислый калий) или фильтрованием через активированный уголь. Умягчение жёсткой воды (более 20°жёсткости) достигается через ионообменные смолы, загруженные катионитами (катионный фильтр) для обмена анионов. В результате этого происходит обмен ионов кальция и магния на ионы водорода или натрия. Опреснение воды, содержащей избыток минеральных солей (например, морской воды или воды в регионах с высокой засолённостью почв), осуществляется за счет её фильтрации сначала через катионит, а затем через анионит, что позволяет освободить воду от всех растворённых в ней солей. Кроме этого, применяется дистилляция с последующим добавлением известковых солей до нормальной концентрации, характерной для питьевой воды, выпаривание с последующей конденсацией, вымораживание, электродиализ. Обезжелезивание воды, содержащей иона железа, в концентрации, превышающей ПДК (0,3 мг/л), проводится за счёт её аэрации путём разбрызгивания воды в специальных устройствах — градирнях. Метод основан на окислении растворимых солей двухвалентного железа и образовании нерастворимого в воде гидрата окиси железа, который затем осаждается в отстойнике и задерживается на фильтре. Снижение содержания радиоактивных веществ в воде (деконтаминация) осуществляется при применении основных методов её очистки, при более высокой степени загрязнения радионуклеидами воду фильтруют через ионообменные смолы.