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:

  1. Хлор является сильнодействующим ядовитым и взрывоопас­ным веществом, поэтому водопроводные очистные станции, исполь­зующие хлор для обеззараживания, являются объектами повышенной опасности.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.).
  5. Необходимо обеспечение хорошего смешивания хлора с водой и достаточной продолжительности (не менее 30 мин) их контакта.
  6. Возможна утечка хлора при использовании напорных хлорато­ров. Ввиду ядовитости хлора его утечка представляет опасность для обслуживающего персонала,
  7. 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.
  8.  Необходимо соблюдение особых правил безопасности при устройствехлораторных установок.
  9. 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:

  1. Отрицательно воздействует на щитовидную железу и может служить причиной острых токсикозов.
  2. Получение диоксида хлора необходимо производить на месте потребления.
  3. Требует перевозки и хранения легковоспламеняющихся исход­ных веществ, что неприемлемо при размещении станции водоподготовки в черте города.
  4. Образует хлораты и хлориты.
  5. В сочетании с некоторыми материалами и веществами приводит к проявлению специфических запаха и вкуса.
  6. 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.