Обеззараживание воды

     Введение 

     Сегодня в России сложилась достаточно сложная  ситуация с обеспечением населения  и предприятий питьевой водой  надлежащего качества. Источники водоснабжения в последнее время подвергаются интенсивному загрязнению. Сооружения водоподготовки и водоотведения, на которых используются традиционные методы и процессы, не всегда в состоянии обеспечить требуемую степень очистки воды. В полной мере это относится и к обеззараживанию воды – главному барьеру на пути передачи водных инфекций. По данным статистики, более 11% проб качества питьевой воды в стране не удовлетворяют требованиям действующего ГОСТ по бактериологическим показателям. Отмечается постоянный рост числа бактериальных и вирусных заболеваний, распространяемых водным путем [1].

 
           Такое положение требует нового подхода к обеспечению эпидемиологической безопасности и, в частности, стимулирует работы по совершенствованию старых и внедрению принципиально новых технологий обеззараживания питьевой воды. 

Обзор современных  способов обеззараживания воды 

     Под обеззараживанием питьевой воды понимают мероприятия по уничтожению в  воде бактерий и вирусов, вызывающих инфекционные заболевания. По способу  воздействия на микроорганизмы методы обеззараживания воды подразделяются на

• химические, или реагентные;
• физические, или безреагентные;
• комбинированные.

В первом случае должный эффект достигается  внесением в воду биологически активных химических соединений; безреагентные  методы обеззараживания подразумевают  обработку воды физическими воздействиями, а в комбинированных используются одновременно химическое и физическое воздействия. 

     Из  числа известных методов обеззараживания  воды многие находятся пока на стадии чисто научных разработок. К ним  относятся, например, пропускание постоянного, переменного или импульсного тока, анодное разложение, кавитация, радиационное облучение рентгеном, гамма-квантами или ускоренными электронами. Также существуют такие способы, как обработка перекисью водорода, перманганатом калия, ионами тяжелых металлов, иодирование и бромирование [2].  

     Применение  тяжелых металлов (медь, серебро  и др.) для обеззараживания питьевой воды основано на использовании их способности оказывать бактерицидное действие в малых концентрациях. Эти металлы могут вводиться в виде растворов солей либо методом электрохимического растворения. В обоих этих случаях возможен косвенный контроль их содержания в воде. Следует заметить, что ПДК ионов серебра и меди в питьевой воде достаточно жесткие.   

     К химическим способам обеззараживания питьевой воды относится широко применявшееся в начале 20 в. обеззараживание соединениями брома и йода, обладающими сильно выраженными бактерицидными свойствами, но требующими  довольно сложной технологии. В современной практике для обеззараживания питьевой воды йодированием предлагается использовать специальные иониты, насыщенные йодом. При пропускании через них воды йод постепенно вымывается из ионита, обеспечивая необходимую дозу в воде. Такое решение приемлемо для малогабаритных индивидуальных установок. Существенным недостатком является изменение концентрации йода во время работы и отсутствие постоянного контроля его концентрации. 

     К физическим способам относится обеззараживание питьевой воды ультразвуком. Оно основано на способности ультразвука вызывать т. н. кавитацию – образование пустот, создающих большую разность давления, что ведет к разрыву клеточной оболочки и гибели бактериальной клетки. Кипячение также является распространенным и надежным способом индивидуального обеззараживания воды. Помимо уничтожения бактерий, вирусов, бактериофагов, антибиотиков и других биологических объектов, часто содержащихся в открытых водоисточниках, удаляются растворенные в воде газы и уменьшается жесткость воды. Вкусовые качества воды при кипячении меняются мало. 

     Сравнительно  недавно появились установки обеззараживания, основанные на бактерицидном действии перекиси водорода. Поскольку при высокой активности по отношению к большинству микроорганизмов Н₂О₂ имеет невысокую стоимость, продукты ее разложения абсолютно безопасны, а необходимые реагенты просты и доступны, этот метод имеет большие перспективы. 

     Наиболее известный и распространенный способ обеззараживания — это комплексное физико-химическое воздействие на воду с целью изменения ее состава для достижения некоего стандарта. Реальными практическими технологиями, прошедшими проверку на действующих крупномасштабных сооружениях очистки воды, являются хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое (УФ) облучение с дальнейшей обработкой на угольных фильтрах или полимерных мембранах. Все они позволяют избавиться от мельчайших взвешенных органических частиц, коллоидов и микроорганизмов. Необходимо отметить, что почти все перечисленные процессы требуют точного дозирования реагентов. Особенно это касается процедур введения обеззараживающих реактивов — поскольку они чрезвычайно химически активны и могут представлять определенную опасность при передозировке. Поэтому следует особое внимание уделить подбору дозировочного оборудования, отдавая предпочтение современной цифровой технике. 

      Рассмотрим  подробнее эти выше перечисленные методы обеззараживания. 

Озонирование  воды 

            В последние 20 лет области применения озона значительно расширились и во всем мире ведутся новые разработки. С гигиеничной точки зрения метод озонирования воды имеет существенные преимущества благодаря высокому окислительно-восстановительному потенциалу бактерицидного действия. 

     По  данным ряда исследований озонирование может быть полезным и на ранних стадиях очистки, еще на этапе  введения флоккулирующих агентов. Так, введение озона на начальной стадии обработки позволяет за счет обесцвечивания на 30–60% от исходной цветности и флоккулирующего эффекта уменьшить на последующих стадиях обработки дозу коагулянта (обычно, сульфата алюминия) на 15–25%. Совместная обработка озоном и УФ в несколько раз увеличивают скорость реакции окисления нефтепродуктов, фенолов, гуминовых кислот и т.д. Тем не менее, опыт свидетельствует, что полностью отказываться от хлорирования и переходить только на обработку озоном не следует, т.к. предварительные испытания таких установок показали, что в теплое время года, когда температура обрабатываемой природной воды достигает 22°С, озонирование не позволяет достигнуть заданных микробиологических показателей. 

               Озонирование воды основано на свойстве озона разлагаться в воде с образованием атомарного кислорода, разрушающего ферментные системы микробных клеток и окисляющего некоторые соединения, которые придают воде неприятный запах (например, гуминовые основания). Доза озона, необходимая для обеззараживания воды, варьируется в зависимости от содержания в воде органических веществ, от температуры воды и от величины активной реакции воды (рН). 

      Прозрачная  и чистая ключевая вода и воды горных рек, малозагрязнённые посторонними примесями, требуют примерно 0,5 мг/л озона. Вода, поступающая из открытых водохранилищ, может вызывать расход озона до 2 мг/л. Средняя доза озона составляет 1 мг/л. Экспериментальные исследования показали, что с повышением температуры воды необходимо также увеличивать дозу озона. Продолжительность контакта озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой колеблется от 5 до 15 минут сообразно с типами установок и их производительностью (при повышении температуры время контакта увеличивается). 

      Хлор  и озон на бактерии влияют не одинаково. При увеличении интенсивности хлорирования происходит прогрессивное отмирание бактерий. Между тем, при озонировании обнаруживается внезапное бактерицидное действие озона, соответствующее определённой критической дозе, равной 0,4-0,5 мг/л (рис.1). Для меньших доз озона его бактерицидность незначительна, но и как только достигается критическая доза, отмирание бактерий становится сразу резким и полным. Последние исследования механизма озонирования показали, что действие его происходит быстро при условии поддержания нужной концентрации в течение определённого времени. Это действие обусловлено озонированием массы бактериальных протеинов в процессе каталитического окисления.

     Рис. 1 
 

      На  обеззараживающее действие озона влияет цветность воды, так озонирование неосветлённой воды неэкономично и  неэффективно, так как большие  количества озона расходуются на окисление веществ, которые могут  быть задержаны обычными очистными сооружениями. Обработка воды озоном целесообразна только после её осветления, а так же фильтрования (доза озона уменьшается в 2-2,5 раза, чем для нефильтрованной воды) [3]. 

      Исследования  показали, что кишечная палочка, оказавшаяся наиболее устойчивой к действию окислителей из всей группы кишечных бактерий, быстро погибает при озонировании. Также эффективно использование озонирования в борьбе с возбудителями брюшного тифа и бактериальной дизентерии.  

        Озон обладает высокой эффективностью в уничтожении спор, цист и многих других патогенных микробов, а также отличается высоким спорицидным эффектом. Озон пропускали в течение определённого времени через воду дистиллированную, водопроводную, колодезную, речную и прудовую, заражённую спорами антропоида. Полное обеззараживание загрязнённых естественных вод, содержащих до 10000 спор антропоида в 1 мл, достигалось после пропуска озона через воду в течение 1 часа. Также была установлена прямая зависимость величины озонопоглощаемости воды от степени её загрязнения, чем чище вода, тем меньше озонопоглощаемость. Озон оказывает резко выраженное, быстрое и радикальное воздействие на многие вирусы. Механизм этого явления объясняется полным окислением вирусной материи [4]. 

      Обесцвечивающее действие озона объясняется окислением соединений, вызывающих цветность воды; они превращаются в более простые молекулы, не имеющие окраски. Потребная доза озона зависит от необходимой степени обесцвечивания, причём увеличение расхода его происходит непропорционально.

         С физической точки зрения вода после озонирования претерпевает значительные качественные изменения. В достаточно большом слое вода приобретает красивую голубоватую окраску, свойственную родниковой воде. При озонировании вода хорошо аэрируется, что делает её более усваиваемой и приятной для питьевого потребления. С органолептической точки зрения в озонированной воде не только не возникает каких-либо привкусов и запахов но, наоборот, устраняются всякие следы привкуса и запаха, ранее существовавшие в обрабатываемой воде. 

      Изложенное  выше показывает, что озонирование представляет собой действительно универсальный метод обработки воды, поскольку он проявляет своё действие одновременно в бактериологическом, физическом и органолептическом отношении.  

        Однако широкому распространению этого процесса препятствует ряд его существенных недостатков. 

        Метод озонирования в отличие от хлорирования технически сложен и для его реализации необходимо выполнение ряда последовательных технологических операций: очистка воздуха, его охлаждение и сушка, синтез озона, смешение озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой, отвод и деструкция остаточной озоно-воздушной смеси, отвод ее в атмосферу. Кроме того, требуется много вспомогательных процессов и оборудования. 

      Озон, получаемый на производственных установках, является нестойким газом, значительно разбавленным воздухом. Процесс синтеза озона осуществляется при высоком напряжении (10-15 кВ). С практической точки зрения концентрировать, хранить и транспортировать такой газ представляется неэкономичным, даже, учитывая свойственную озону взрывчатость. Поэтому полученный озон должен сразу же расходоваться. Наиболее экономичный метод массового производства озона заключается в пропуске воздуха или кислорода через электрический разряд высокого напряжения в генераторе озона или так называемом озонаторе. Сырьём для производства озона могут служить атмосферный или обогащённый кислородом воздух или чистый кислород. Теоретическая теплота для образования озона выражается величиной 139, 4 кДж/моль. При потреблении воздуха на производство озона расход энергии в 2 раза больше. Эта энергия необходима для ионизации молекул кислорода. 

      Готовой продукцией является озонированный  воздух, содержащий до 5% озона (по весу) или озонированный кислород с  содержанием до 10% озона (по весу). Однако, хотя получение таких концентраций и возможно, но обычно не оправдывается с экономичной точки зрения. Практически для производства озона из кислорода требуется энергия, равная 1300 кДж/моль, при этом 90% её рассеивается на тепловыделение. По этой причине наибольшие концентрации озона в озоно-воздушной смеси при температуре 25⁰С не превышают 20-25 мг/л, т.е. 1,02 –1,22 % к объёму воздуха или 1,7 – 2,1 % к его весу [5]. 

       Важным моментом при обеззараживании воды является возможность повторного роста микроорганизмов после процесса дезинфекции. Для озонирования эта проблема особенно остра. В целом ряде исследований, выполненных в последние годы, было установлено, что в результате действия озона на органические соединения последние переходят из биологически устойчивых форм в биоразлагаемые, которые затем легко усваиваются микроорганизмами. Сравнительный анализ показал, что после озонирования часто наблюдается значительный рост бактерий, в то время как в хлорированной воде данный рост не отмечался. Повторный рост микроорганизмов вынудил в ряде случаев либо отказаться вообще от озонирования, либо ввести дополнительное остаточное хлорирование. Однако применение хлорирования вслед за озонированием также имеет свои проблемы. Образующиеся в результате озонирования кислоты и альдегиды могут являться инициаторами образования хлорорганических соединений при последующем хлорировании [9].