Химические методы обеззараживания воды

В настоящее время основным методом, используемым для обеззараживания воды на водопроводных станциях, является хлорирование. Россия была одной из первых стран, в которой хлорирование воды стало применяться на водопроводах в 1910 году. Хлорирование воды сыграло огромную роль в предупреждении водных эпидемий. Этому способствуют доступность метода, его дешевизна и надёжность обеззараживания, а также его многовариантность, т.е. возможность обеззараживать воду на водопроводных станциях, передвижных установках, для обеззараживания воды в колодце, при его загрязнении и ненадёжности, на полевом стане в бочке, ведре, во фляге.

Наиболее часто для хлорирования воды на водопроводах используют газообразный хлор, однако применяют и другие хлорсодержащие реагенты. В порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала они располагаются в следующем порядке: хлорамины, гипохлориты кальция и натрия, хлорная известь, газообразный хлор, двуокись хлора.

На водопроводных станциях хлорирование производится при помощи газо­образного хлора и растворов хлорной извести. Кроме этого, мо­гут использоваться такие соединения хлора, как гипохлорат натрия, гипохлорит кальция, двуокись хлора.

Механизм действия хлора заключается в том, что при добав­лении его к воде он гидролизуется, в результате чего происхо­дит образование хлористоводородной и хлорноватистой кислот:

СL₂ + Н₂О = НСl + НОСl

Хлорноватистая кислота в воде диссоциирует на ионы водо­рода (Н) и гипохлоритные ионы (ОСl).

HOCl = H⁺ + OCl^-

Основное биологическое действие оказывают хлорноватистая кислота и гипохлоритный ион, которые вместе входят в понятие «активный хлор»

Молекулы хлорноватистой кислоты малы, имеют нейтральный заряд и поэтому легко проходят через обо­лочку бактериальной клетки. Хлорноватистая кислота воздейст­вует на клеточные ферменты, нару­шает обмен веществ микробных клеток и способность микроор­ганизмов к размножению. В последние годы установлено, что бактерицидный эффект хлора основан на угнетении ферментов — катализаторов окислительно-восстановительных процессов, обеспечивающих энергетический обмен бактериальной клетки.

Количество хлора, которое при хлорировании 1 л воды расходуется на окисление органических, легкоокисляющихся неорганических веществ, называется хлорпоглощаемостью воды. Хлорпоглощаемость определяется экспериментально, путём проведения пробного хлорирования. По окончании процесса связывания хлора содержащимися в воде веществами и бактериями в воде начинает появляться остаточный активный хлор. Его появление, определяемое титрометрически, является свидетельством завершения процесса хлорирования. Согласно ГОСТу в воде, подаваемой в водопроводную сеть, необходимо обязательное присутствие остаточного активного хлора в концентрациях 0,3 – 0,5 мг/л, что является гарантией эффективности обеззараживания. Таким образом, наличие остаточного хлора является косвенным показателем безопасности воды в эпидемическом отношении.

Количество активного хлора в миллиграммах, необходимое для обеззараживания 1 л воды, называется хлорпотребностью воды. В практике водоподготовки используется несколько способов хлорирования воды: хлорирование нормальными дозами, хлорирование с аммонизацией, гиперхлорирование.

Хлорирование нормальными дозами применяется в обычных условиях на всех водопроводных станциях. При этом большое значение имеет правильный выбор дозы хлора, что обусловли­вается степенью хлорпоглощаемости воды в каждом конкрет­ном случае.

Суперхлорирование (гиперхлорирование) воды проводится по эпидемиологическим показаниям или в условиях, когда невоз­можно обеспечить необходимый контакт воды с хлором (в тече­ние 30 мин). Обычно оно применяется в военно-полевых усло­виях, экспедициях и других случаях и производится дозами, в 5—10 раз превышающими хлорпоглощаемость воды, т.е. 10— 20 мг/л свободного хлора. Время контакта между водой и хлором при этом сокращается до 15—10 мин. Суперхлорирование имеет ряд преимуществ. Основными из них являются значительное со­кращение времени хлорирования, упрощение его техники, так как нет необходимости определять остаточный хлор и дозу, и возможность обеззараживания воды без предварительного осво­бождения ее от мути и осветления. Недостатком гиперхлориро­вания является сильный запах хлора, но его можно устранить до­бавлением к воде тиосульфата натрия, активированного угля, сернистого ангидрида и других веществ (дехлорирование).

На водопроводных станциях иногда проводят хлорирование с преаммонизацией. Этот метод применяется в тех случаях, когда обеззараживаемая вода содержит фенол или другие вещества, которые придают ей неприятный запах. Для этого в обеззара­живаемую воду вначале вводят аммиак или его соли, а затем, через 1—2 мин, — хлор. При этом образуются хлорамины, об­ладающие сильным бактерицидным свойством.

Перспективным методом обеззараживания воды является её озонирование. 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 считается одним из самых перспективных и находит применение в ряде стран и городов (Франция, США, Россия – Москва, Ярославль, Челябинск; Украина – Киев, Днепропетровск, Запорожье и др.).

Озон является нестойким соединением. В воде он разлагается с образованием молекулярного и атомарного кисло­рода, с чем связана сильная окислительная способность озона. В процессе его разложения образуются свободные радикалы ОН и НО₂, обладающие выраженными окислительными свойствами. Озон имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал, поэтому его реакция с органическими веществами, находящимися в воде, происходит более полно, чем у хлора. Меха­низм обеззараживающего действия озона аналогичен действию хлора: являясь сильным окислителем, озон повреждает жизненно важные ферменты микроорганизмов и вызывает их гибель. Имеют­ся предположения, что он действует как протоплазматический яд.

Преимущество озонирования перед хлорированием заключа­ется в том, что при этом способе обеззараживания улучшаются вкус и цвет воды, поэтому озон может быть использован одно­временно для улучшения ее органолептических свойств. Озо­нирование не оказывает отрицательного влияния на минераль­ный состав и рh воды. Избыток озона превращается в кисло­род, поэтому остаточный озон не опасен для организма и не влияет на органолептические свойства воды. Контроль за озо­нированием менее сложен, чем за хлорированием, так как озо­нирование не зависит от таких факторов, как температура, рh воды и т. д. Для обеззараживания воды необходимая доза озона в среднем равна 0,5—6 мг/л при экспозиции 3—5 мин. Озони­рование производится при помощи специальных аппаратов — озонаторов.

Олигодинамическое действие серебра в течение длительного времени рассматривалось как средство для обеззараживания преимущественно индивидуальных запасов воды. Серебро обладает выраженным бактериостатическим действием. В настоящее время серебро в основном применяют для консервирования воды при длительном её хранении.

Физические методы обеззараживания

Преимущество физических методов обеззараживания воды перед химическими состоит в том, что они не изменяют химического состава воды, не ухудшают её органолептических свойств. Но из-за высокой стоимости и необходимости тщательной предварительной подготовки воды из них пока находит в водопроводных конструкциях только ультрафиолетовое облучение, а при местном водоснабжении – кипячение.

Наиболее разработанным и изученным в техническом отноше­нии методом является облучение воды бактерицидными (ультра­фиолетовыми) лампами. Наибольшим бактерицидным свойством обладают УФ-лучи с длиной волны 200—280 нм; максимум бакте­рицидного действия приходится на длину волны 254—260 нм. Ис­точником излучения служат аргонно-ртутные лампы низкого давления (БУВ) и ртутно-кварцевые лампы (ПРК и РКС).

Для обеззараживания воды применяются специальные уста­новки (напорные и безнапорные). Для обеззараживания боль­шого объема воды используется установка ОВ-АКХ-1 большой производительности с применением бактерицидных ламп ПРК. На небольших водопроводах используются аргонно-ртутные лампы низкого давления (БУВ-15, БУВ-30, БУВ-30П). Обезза­раживание воды наступает быстро, в течение 1—2 мин. При обез­зараживании воды УФ-лучами погибают не только вегетативные формы микробов, но и споровые, а также вирусы, яйца гельмин­тов, устойчивые к воздействию хлора. Применение бактерицид­ных ламп не всегда возможно, так как на эффект обеззаражива­ния воды УФ-лучами влияют мутность, цветность воды, содер­жание в ней солей железа. Поэтому, прежде чем обеззараживать воду таким способом, ее необходимо тщательно очистить.

Из всех имеющихся физических методов обеззараживания воды наиболее надежным является кипячение. В результате ки­пячения в течение 3—5 мин погибают все имеющиеся в ней микроорганизмы, а после 30 мин вода становится полностью стерильной. Несмотря на высокий бактерицидный эффект, этот метод не находит широкого применения для обеззаражи­вания больших объемов воды. Его можно использовать в быту, детских учреждениях и т. д. Недостатком кипячения является ухудшение вкуса воды, наступающего в результате улетучива­ния газов, и возможность более быстрого развития микроорга­низмов в кипяченой воде.