Обработка окислителями. Хлорирование воды. Это наиболее часто используемый в нашей стране метод обеззараживания воды, применяемый на водопроводных станциях.
Механизм бактерицидного действия хлора и его кислородсодержащих соединений заключается во взаимодействии с составными частями клетки микроорганизма, в первую очередь с ферментами. Потеря биологической активности ферментов может происходить в результате реакций окисления, хлорирования, замещения. Изменения в структуре ферментов ведут к нарушению обмена веществ в клетке микроорганизма и ее отмиранию, т. е. процесс обеззараживания воды сильными окислителями происходит в две стации – сначала обеззараживающий агент диффундирует через оболочку внутрь клетки микроорганизма, а затем вступает в реакцию с ферментами клетки.
Хлор. Из патогенных микроорганизмов, встречаемых в воде, наиболее чувствительны к действию хлора холерный вибрион, возбудители брюшного тифа и дизентерии. Возбудители паратифа и микрококки более устойчивы, а по отношению к споровым формам хлор малоэффективен. Относительно устойчивы к хлору микобактерии, энтеровирусы, цисты простейших, синегнойная палочка, наименее эффективно хлорирование в отношении вирусов.
Следует отметить, что в настоящее время снижается доля предприятий, использующих активных хлор.
Причины отказа от жидкого хлора при обеззараживании воды следующие:
- Хлор является сильнодействующим ядовитым и взрывоопасным веществом, поэтому водопроводные очистные станции, использующие хлор для обеззараживания, являются объектами повышенной опасности.
- Необходима точная дозировка хлора. Недостаточная доза хлора может привести к тому, что он не окажет необходимого бактерицидного действия; излишняя доза хлора ухудшает вкусовые качества воды. Показателем правильно выбранной дозы хлора служит наличие в воде так называемого остаточного хлора (остающегося в воде от введенной дозы после окисления находящихся в воде веществ). Согласно нормативным требованиям, для предотвращения вторичного заражения воды концентрация остаточного хлора в ней перед поступлением в сеть должна быть 0,8–1,2 мг/дм3.
- Часто хлорирование воды приводит к образованию сильно пахнущих хлорпроизводных продуктов распада. Особенно устойчивыми и неприятными являются запахи, возникающие при содержании в обрабатываемой воде фенолов. Со временем эти запахи усиливаются и не исчезают при нагревании.
- В процессе обработки происходит недостаточно глубокое разложение органических веществ и возможен непроизвольный синтез новых, даже более токсичных веществ, чем исходные (например, хлорфенолов, хлораминов и др.).
- Необходимо обеспечение хорошего смешивания хлора с водой и достаточной продолжительности (не менее 30 мин) их контакта.
- Возможна утечка хлора при использовании напорных хлораторов. Ввиду ядовитости хлора его утечка представляет опасность для обслуживающего персонала,
- Необходимость хранения большого запаса хлора на станциях. Так как из одного баллона (при комнатной температуре) может быть получено лишь около 0,5–0,7 кг хлора в 1 ч, то при большом общем расходе хлора может возникнуть необходимость одновременного использования значительного числа баллонов.
- Необходимо соблюдение особых правил безопасности при устройствехлораторных установок.
- Припроектировании и эксплуатации хлораторных установок надоучитывать требования, направленные на предохранение обслуживающего персонала очистной станции от вредного действия хлора.
Из вышеизложенного следует, что использование хлора требует особых мер безопасности и точного соблюдения технологического процесса, нарушение которого может привести к серьезным последствиям.
Диоксид хлора. По своему дезинфицирующему потенциалу диоксид хлора в 4 раза превосходит воздействие хлора. Существенным преимуществом диоксида хлора по сравнению с озоном и ультрафиолетовым облучением является эффект последействия, что принципиально важно при несоответствии водораспределительных сетей санитарно-техническим требованиям.
В стадии постдезинфекции диоксид хлора оказывает двойное действие: бактерицидное и вирулицидное в форме ClO2, а также бактериостатическое и слабое бактерицидное в форме хлорита (С1O2-). Как бактерицидный агент он может оставаться активным в воде 48 ч, и его эффективность гарантируется в течение более длинных периодов, чем у хлора. По данным ВОЗ рекомендуемая концентрация диоксида хлора в питьевой воде не устанавливается в связи с его быстрым распадом. Временная рекомендуемая величина для хлорит-аниона составляет 0,2 мг/дм3, ПДК для хлорит-аниона составляет 20 мг/дм3. Агентство по охране окружающей среды США с 1998 г. ограничило максимальную концентрацию остаточного диоксида хлора до 0,8 мг/дм3 и хлорит-ионов до 1,0 мг/дм3.
Кроме достоинств применение диоксида хлора имеет ряд следующих недостатков:
- Отрицательно воздействует на щитовидную железу и может служить причиной острых токсикозов.
- Получение диоксида хлора необходимо производить на месте потребления.
- Требует перевозки и хранения легковоспламеняющихся исходных веществ, что неприемлемо при размещении станции водоподготовки в черте города.
- Образует хлораты и хлориты.
- В сочетании с некоторыми материалами и веществами приводит к проявлению специфических запаха и вкуса.
- В настоящее время не нашел широкого распространения из-за дороговизны и отсутствия четко разработанных методических рекомендаций.
Гипохлорит натрия. Водный раствор гипохлорита натрия по эффективности обеззараживания аналогичен жидкому хлору, однако при малых (до 8 мг/дм3) концентрациях нетоксичен и поэтому безопасен при использовании.
Гипохлорит натрия образует в воде хлорноватистую кислоту и гипохлоритный ион в соотношениях, определяемых рН. Соотношение между гипохлорит-ионом и хлорноватистой кислотой определяется протеканием реакций гидролиза гипохлорита натрия (NaClO) и диссоциации хлорноватистой кислоты (НСlO):
СlO- + Н2О→ НСlO + ОН-;
НСlO→ Н+ + ClO-
Исследования показывают, что бактерицидность хлора в воде снижается с повышением значений рН. Если сопоставить количество убитых в заданное время бактерий при неизменной дозе хлора, но при различных значениях рН, с изменением количества недиссоциированной хлорноватистой кислоты, то можно отметить очень хорошую корреляцию между данными величинами. Это показывает, что хлорноватистая кислота является главным бактерицидным соединением хлора в воде.
Таким образом, дезинфицирующее действие гипохлорита натрия основывается на смещении рН при разбавлении раствора обрабатываемой водой в область, где основной формой существования активного хлора является хлорноватистая кислота.
Замена жидкого хлора техническим гипохлоритом натрия имеет определенные преимущества в технологии обеззараживания питьевой воды:
- ликвидация взрывоопасных хранилищ жидкого хлора в черте города;
- отказ от применения подщелачивающего реагента;
- упрощение контроля за режимом обеззараживания и технологии водоподготовки в целом;
- повышение качества питьевой воды за счет существенного уменьшения в ее составе концентрации хлорорганических соединений;
- значительное увеличение срока службы водопроводных труб за счет уменьшения их коррозионного износа.
Кроме того, гипохлорит натрия в отличие от диоксида хлора не требует своего производства на месте потребления.
Озонирование воды. Озонирование основано на свойстве озона разлагаться в воде с образованием атомарного кислорода, разрушающего протоплазмы, стенки и цитоплазматические мембраны бактерий, протеиновые оболочки вирусов.
При введении озона бактерии погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке воды хлором. Количество озона, необходимое для обеззараживания питьевой воды, зависит от степени загрязнении воды и составляет 1–6 мг/дм3 при контакте в 8-15 мин; количество остаточного озона должно составлять не более 0,3–0,5 мг/дм3, так как более высокая доза придает воде специфический запах и вызывает коррозию водопроводных труб.
К недостаткам применения озона относятся следующие:
1. Токсичность озона. Предельно допустимое содержание его в воздухе помещений, где находятся люди, составляет 0,00001 мг/дм3. В связи с этим в озонаторных установках должны быть приняты все меры по предотвращению возможности проникновения озона в помещение.
2. Сложность получения озона. Атмосферный воздух, забираемый для производства озона, должен быть очищен от пыли, а также осушен. Наличие влаги в используемом воздухе вызывает увеличение расхода энергии, затрачиваемой на получение озона; кроме того, необходимо высокое напряжение (до 20 000 вольт). Озонаторные установки энергоемки и требуют квалифицированного обслуживания.
1. Токсичность озона. Предельно допустимое содержание его в воздухе помещений, где находятся люди, составляет 0,00001 мг/дм3. В связи с этим в озонаторных установках должны быть приняты все меры по предотвращению возможности проникновения озона в помещение.
2. Сложность получения озона. Атмосферный воздух, забираемый для производства озона, должен быть очищен от пыли, а также осушен. Наличие влаги в используемом воздухе вызывает увеличение расхода энергии, затрачиваемой на получение озона; кроме того, необходимо высокое напряжение (до 20 000 вольт). Озонаторные установки энергоемки и требуют квалифицированного обслуживания.
3. Образование побочных продуктов озонирования и их возможное воздействие на человека. Продукты реакции озона с содержащимися в воде органическими веществами предположительно представляют собой альдегиды, кетоны и другие соединения. Например, имеются указания на образование при озонировании ряда карбонильных соединений, содержание которых в питьевой воде нормируется по ПДК (в мг/дм3): формальдегид – 0,05, бензальдегид – 0,003, ацетальдегид – 0,2.
4. Необходимость специальных устройств введения озона и обеспечение требуемой продолжительности контакта озона с водой.
5. Озон не обеспечивает бактериальную устойчивость воды. Для исключения этого явления необходимо параллельно производить хлорирование воды, т. е. озон не может быть использован в качестве самостоятельного средства обеззараживания и не позволяет отказаться от хлора.
Надуксусная кислота (НУК). Эффект обеззараживания при использовании НУК связан с действием активного кислорода, который образуется при распаде пероксида водорода. Атомарный кислород разрушает клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану бактерий, протеиновые оболочки вирусов. Исходный раствор НУК имеет неприятный запах, однако при низких концентрациях (менее 0,1%) это соединение может добавляться в воду, предназначенную для ополаскивания после проведенной мойки и дезинфекции, так как продуктами распада являются безвредные вещества (уксусная кислота и вода).
Физические методы обеззараживания воды. Обеззараживание воды ультрафиолетовыми лучами. Из физических способов обеззараживания питьевой воды наибольшее распространение получило обеззараживание ультрафиолетовыми лучами. Бактерицидное действие УФО основано преимущественно на повреждении структур ДНК и РНК микробной клетки, нарушении проницаемости клеточных мембран. При фотохимическом воздействии лучистой энергии изменяются и разрываются химические связи органической молекулы.
Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные клетки, но и споровые формы бактерий и не изменяют органолептические свойства воды.
Бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны в промежутке 2200–2800 А. Различные виды бактерий имеют различную степень сопротивляемости действию бактерицидных лучей, что учитывается коэффициентом сопротивляемости бактерий, определяемым в результате исследований.
Процесс обеззараживания воды бактерицидными лучами осуществляется на специальных установках, в которых вода относительно тонким слоем обтекает источники бактерицидного излучения – ртутно-кварцевые или аргоно-ртутные лампы.
Недостатками бактерицидного обеззараживания воды являются следующие:
- Опасность загрязнения ртутью, используемой в бактерицидных лампах.
- Особые требования к воде, подвергаемой облучению. Она должна быть прозрачной и обладать наибольшей проницаемостью для бактерицидных лучей.
- Необходимость пропуска всей обеззараживаемой воды через установку, т. е. производительность установки должна быть равна производительности водопроводной станции.
- Большая энергоемкость установок. Например, установка УО В-1000/288-В1 производительностью 1000 м3/ч потребляет 28 кВт ч электроэнергии.
- Почти полное отсутствие последействия.
Поэтому обеззараживание питьевой воды ультрафиолетовыми лучами применяют главным образом для подземных и подрусловых вод. Для обеззараживания питьевой воды открытых водоисточников применяют сочетание ультрафиолетовых лучей с небольшими дозами хлора.
Фильтрация и дистилляция воды. Использование стерилизующих мембран с размером пор 0,4–0,45 мкм оправдано только в том случае, когда требуется стерильная вода непосредственно для технологического процесса, например для разбавления пива или при получении чистой культуры дрожжей.
В табл. 26 приведены сведения по снижению содержания в воде микроорганизмов и других загрязняющих воду агентов химической природы при использовании различных методов фильтрации.
Таблица 26
Сравнение методов удаления загрязнений в воде
Загрязнения | Размер частиц, мкм | Методы удаления загрязнений | ||||
ионо-обмен | микро-фильтрация, >0,1 мкм | ультрафильтрация, 0,001-0,1 мкм | обратный осмос, < 0,001 мкм | дистилляция | ||
Взвешенные частицы | > 0,001 | - | + | + | + | + |
Коллоиды | > 0,006 | - | - | + | + | + |
Микроорганизмы | 0,3-20 | - | + | + | + | + |
Соли | < 0,001 | + | - | - | + | + |
Пирогены (эндотоксины)
|
0,002-0,06 | - | - | - | + | ± |
Примечание: (+) – эффективность; (–) – неэффективность; (±) – дистилляция не разрушает пирогены (токсины).
Термический метод (кипячение). Кипячение – самый старый и хорошо известный метод, которым мы пользуемся ежедневно. Кипячение является исключительно бытовым методом обеззараживания. Он не дает полной гарантии гибели бактерий или их спор.
Обработка возвратной (оборотной) воды. Обработка возвратной воды в башенных охладителях и в туннельных пастеризаторах является важной операцией. Это связано с тем, что в туннельных пастеризаторах развиваются микроорганизмы, образующие слизь, которая забивает фильтры и сетку распылителей, что влияет на эффективность пастеризации, Слизеобразование в оборотной воде приводит к зловонию, возможной коррозии и отрицательно влияет на здоровье человека, Например, Legionella spp. может вызвать заболевание легких. В подобных условиях для предотвращения развития слизи используют биоциды, которые не должны оказывать никакого воздействия на краску, нанесенную на банки, или герметичность крышки и должны быть совместимы с другими применяемыми химическими веществами, например ингибиторами образования накипи или коррозии. Некоторые уже упомянутые дезинфектанты, такие как бигуанидины и бром, используются в системе возвратной воды.