Обеззараживание воды

 

При хлорировании в воде образуются новые хлорорганические соединения, являющиеся продуктами трансформации загрязнений. Употребление воды, содержащей галогенсодержащие соединения (ГСС), приводит к угнетению иммунной системы, заболеваниям печени, почек, поджелудочной и щитовидной железы, центральной нервной системы, но главное – ряд ГСС являются канцерогенами (приложение 3).

Некоторые приоритетные вещества, образующиеся в процессе водоподготовки и транспортировки, в том числе при хлорировании воды, представлены в приложении 4.

К росту содержания ГСС в питьевой воде приводит увеличение дозы подаваемого хлора или высокое содержание в обрабатываемой воде общего органического углерода. Основная часть ГСС образуется в течение первых 2 - 4 часов после ввода хлора. Молекулы ГСС имеют относительно небольшие размеры и с трудом поддаются удалению современными методами водоподготовки. Поэтому усилия специалистов должны быть направлены не на удаление, а на предотвращение образования галогенсодержащих соединений.

Таким образом, должна быть проведена коррекция схем хлорирования, предполагающая отказ от подачи высоких доз хлора в неочищенную речную воду или перенос места ввода основной дозы хлора в конец технологической схемы водоподготовки.

Снижению дозы первичного хлорирования способствуют процессы коагуляции и флокуляции, в том числе с использованием синтетических полиэлектролитов. Синтетические органические высокомолекулярные коагулянты могут применяться совместно с неорганическими (соли алюминия и железа) или, что характерно для современных технологий очистки воды, в качестве самостоятельных основных реагентов. Высоко молекулярные флокулянты применяются, как правило, для увеличения эффекта очистки воды после ее коагуляции. Синтетические полиэлектролиты сами по себе являются малотоксичными соединениями, но могут содержать мономеры и примеси, представляющие очень высокий риск для здоровья населения. Реальная минимизация риска для здоровья населения может быть достигнута в условиях соответствующего контроля качества реагентов и обоснования максимально допустимой дозы, обеспечивающей безопасное их использование в технологиях очистки воды.

В обработанной воде следует проводить соответствующий контроль:

- полиамины (полиэпихлоргидриндиметиламины, полиЭПИ-ДМА) - по показателям эпихлоргидрин, диметиламин, 1,3-дихлор-2-пропанол, 2,3-дихлор-1-пропанол;

- полидиаллилдиметиламмоний хлориды (полиДАДМАХ) – по показателям остаточного количества полиДАДМАХ и ДАДМАХ;

- полиакриламиды (НАПАА, КПАА) – по показателям акриламид и акриловая кислота.

 Порядок надзора за их применением изложен в МУ 2.1.4.1060-01 «Санитарно-эпидемиологический надзор за использованием синтетических полиэлектролитов в практике питьевого водоснабжения».

Возможно использование других реагентов, в частности, полигексаметиленгуанидана [ПГМГ], который при совместном применении с коагулянтами обеспечивает снижение показателя цветности, снижение показателя мутности более чем на 90%, что актуально для регионов Европейского Севера. Технологическая и гигиеническая эффективность использования ПГМГ была доказана производственными испытаниями на Череповецком водоканале.

Следует отметить, что ПГМГ и входящие в его состав мономеры не относятся к канцерогенным веществам и, следовательно, не формируют канцерогенный риск для населения, в отличие от ГСС при хлорировании. В целом полимерные электролиты эффективны для устранения вирусов, цист простейших и одноклеточных водорослей.

В последнее время в России интенсифицировался процесс замены в водопроводной практике газообразного или сжиженного хлора на гипохлорит натрия. При этом устраняется два вида опасного воздействия хлора – его высокая острая токсичность при ингаляции и взрывоопасность. По всем другим неблагоприятным для здоровья свойствам хлор и гипохлорит натрия не различаются.

К хлорсодержащим средствам обеззараживания воды относится также диоксид хлора. В отличие от хлора, диоксид хлора не вступает в реакции замещения (хлорирования) с примесями, содержащимися в воде, а только в реакции окисления, и поэтому практически не образует хлорорганических соединений. Это важное свойство определяет преимущество использования диоксида хлора по сравнению с хлором.

Вместе с тем, диоксид хлора в питьевой воде в результате реакции диспропорционирования трансформируется в хлорит- и хлорат-анионы, которые обладают токсичными свойствами. Это обстоятельство ограничивает допустимую дозу диоксида хлора в воде и вызывает необходимость в нейтрализации продуктов трансформации, что усложняет и удорожает технологию его применения.

Эффективным агентом водоподготовки является озон. Преимущества озона перед хлором состоят в том, что озон улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает бактерицидный эффект при меньшем времени контакта. Вместе с тем, при обработке воды озоном в ней могутобразовываться продукты озонолиза органических веществ в виде карбонильных соединений (альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, броматы). Среди них наиболее опасны из-за своей токсичности формальдегид и броматы, относящиеся к канцерогенным веществам.

При озонировании цветных вод может происходить повышение концентрации фенола в обработанной воде в результате деструкции гумусовых соединений. Частичная деструкция гумусовых соединений обуславливает появление в воде биоразлагаемых органических веществ, являющихся источником углерода для бактерий; создает потенциальную возможность вторичного роста микроорганизмов в резервуарах чистой воды, в распределительных сетях.

Опасность других продуктов озонолиза для здоровья возрастает в случае комбинации в схеме обработки воды озонирования и последующего хлорирования. При этом могут образовываться хлорированные продукты озонолиза, обладающие мутагенными и канцерогенными свойствами, что часто требует применения в дальнейшем сорбционной очистки.

В целом, в большинстве случаев в коммунальном хозяйстве в реальной технологической практике озонирование рассматривается как мощная комплексная технология очистки природных вод в сочетании с другими технологиями. Чаще всего применяется «преозонирование» - первичное озонирование в небольших дозах 1,5-2,0 мг/дм³, что позволяетэффективно проводить окисление различных примесей содержащихся в исходной воде и в сочетании с другими технологиями достичь хороших результатов по водоподготовке, так же весьма распространено применение озонирования в сочетании с сорбционной очисткой «озоно-сорбция» позволяющей нивелировать побочные продукты озонирования, улучшить органолептические показатели очищенной воды и повысить барьерную роль очистных сооружений.Данные методы применяется на ряде водопроводных станций – Нижний Новгород, Москва, Санкт-Петербург, Ярославль, Курган и др.

Жесткие ограничения по широкому спектру побочных продуктов, образующихся в результате нерационального применения окислительных методов, необходимость обеспечения обеззараживания воды в отношении устойчивых к хлору микроорганизмов, обосновывают целесообразность, так называемой, комплексной концепции множественных барьеров. Данная концепция предполагает применение технологий, сочетающих химические окислительные и физические методы очистки.

В рамках этих подходов, одним из самых безопасных и, в то же время, максимально эффективным в отношении всего спектра микроорганизмов методом обеззараживания является ультрафиолетовое излучение, позволяющее обеспечить с высокой степенью эффективности инактивацию устойчивых к хлорированию вирусов, цист лямблий, ооцист криптоспоридий, спор сульфитредуцирующих клостридий.

Комбинация УФ облучения и хлорирования позволяет обеспечить эпидемическую безопасность воды и создает условия для корректировки регламента хлорирования с целью снижения в воде концентраций побочных продуктов. В зависимости от поставленных задач и технологической схемы водоподготовки, УФ облучение может использоваться в различных точках технологической цепи. Определяющим фактором в выборе места размещения УФ оборудования является качество воды на различных этапах очистки. 

Установлено также, что обработка УФ облучением очищенной воды, содержащей соединения хлора на уровне 1,0-1,2 мг/дм³, является безопасным процессом, не сопровождающимся образованием дополнительных побочных токсичных продуктов.

Комбинация ультрафиолетового облучения с современными методами глубокой очистки (озонирование и мембранная фильтрация) обеспечивает высокую степень удаления из воды органических соединений. Озонирование воды, предшествующее УФ обеззараживанию, уже много лет применяется в Финляндии, Канаде, США. В России водоподготовка на основе совместного использования современных технологий хлорирования, озонирования и ультрафиолетового облучения применяется, в частности, на Слудинской водопроводной станции г. Нижний Новгород.

В последнее десятилетие в коммунальном хозяйстве осваиваются методы мембранной фильтрации. Эти технологии предназначены, в основном, для решения задач очистки природных вод в общих комплексах водоподготовки. Использование мембранных установок часто позволяет отказаться от первичного хлорирования, что снижает опасность образования хлорорганических соединений. Ультрафильтрацию можно рассматривать и как эффективное средство обеззараживания воды в отношении патогенных микроорганизмов, таких как ооцисты Cryptosporidium, бактерии Escherichiacoli, Salmonella, Shigella.

В общем случае отсутствие последействия требует применения хлорирования, к тому же, ультрафильтрация не всегда эффективна для удаления вирусов.

Перспективным направлением совершенствования процессов очистки природных вод является биосорбционно-мембранная технология. Предварительная обработка воды по данной технологии позволяет уменьшить при последующем хлорировании образование токсичных хлор- и броморганических соединений на 40-50% за счет удаления в биореакторе органических загрязнений.

В настоящее время разрабатываются и уже частично реализованы на практике новые технологические процессы очистки и обеззараживания воды с применением нанореагентов, синтетических и природных наносорбционных материалов. Научный и практический интерес имеют разработки по использованию бактерицидной и фунгицидной эффективности традиционных и перспективных дезинфектантов на основе наночастиц металлов, способных оказывать биоцидное действие.

Разработана технология изготовления и применения реагента нового поколения – алюмокремниевого флокулянта-коагулянта АКФК, в котором используются алюминиевая и силикатная составляющие. Перспективность АКФК определяется его универсальностью и высокой эффективностью при решении различных задач: осветление и очистка воды от взвешенных частиц, от растворимых и малорастворимых органических веществ, от ионов металлов; данная технология позволяет расширить температурный режим использования реагентных методов.

 Действие АКФК основано на образовании комплексных соединений с развитой сорбционной поверхностью в результате интеграции отдельных процессов в единую систему. Механизм очистки воды реализуется за счет объемной сорбции загрязнителей на самоорганизующихся алюмокремниевых комплексах.

Разрабатываются технологии очистки поверхностных вод с применением нанофильтрационных аппаратов, в которых сорбционные материалы на основе гидроксилатов магния позволяют очищать природные воды одновременно от железа, марганца, фтора и бора.

Широким спектром антимикробного действия за счет малых размеров и значительной удельной поверхности обладают наночастицы серебра. В экспериментальных условиях установлено биоцидное действие наночастиц серебра в отношении модельной бактериальной микрофлоры (Е.соli) и вирусной микрофлоры (РНК-содержащие фаги MS-2) в воде. Инактивация модельных микроорганизмов происходит значительно более интенсивно в процессе фильтрования воды через модифицированные кластерами наносеребра фильтры по сравнению с контролем (угольный фильтр без нанесения наночастиц).

В связи со способностью модифицированных наночастиц серебра длительное время сохранять бактерицидные свойства рациональным является добавление его в фильтрующие материалы, лаки, краски и другие покрытия баков аккумуляторов и резервуаров чистой воды.

Физико-химические и биологические, в т.ч. токсические, свойства наночастиц и наноматериалов на их основе являются результатом не только их химического состава, но и таких характеристик, как геометрические характеристики, размер, форма, число наночастиц, величина площади поверхности, которые и определяют их реакционную способность. Таким образом, использование в системах водоподготовки нанотехнологий может быть реализовано только после разработки и утверждения соответствующей нормативно-методической базы.