Обеззараживание воды

      Озон  более токсичен, чем хлор, вызывает раздражение слизистых оболочек глаз и поражает органы дыхания. Предельно допустимое содержание озона в воздухе производственных помещений - 0,1 г/м3. Существует опасность взрыва озоно-воздушной смеси.  
 

      Повышенное  внимание уделяют качественной деструкции остаточной озоно-воздушной смеси, отсасываемой из контактной камеры, обеспечивая тем самым исключение возможности негативного влияния на окружающую среду и необходимую экологическую безопасность.

          С экономической точки зрения  озонирование является самым  дорогостоящим методом обеззараживания  воды. Это относится в равной степени как к стоимости строительства и оборудования, так и к эксплуатационным расходам и обусловливается следующим:

• технологически сложный процесс требует применения комплекса технических операций и разнообразного оборудования, в том числе дорогостоящего (озонаторы, компрессоры, установки осушки воздуха, холодильные установки и т. д.);
• необходимо выполнение объемных строительно-монтажных работ по возведению зданий и сооружений для размещения основного и вспомогательного оборудования и устройству контактных камер в герметичном исполнении;
• при внедрении озонаторных комплексов на действующих сооружениях водопровода и канализации требуется их серьезная реконструкция, прежде всего, в части ввода в существующую технологическую цепочку и высотную гидравлического схему узла по смешению озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой (контактной камеры), в некоторых случаях требуется организация дополнительных ступеней подкачек общего потока воды;
• для безаварийной и безопасной эксплуатации озонаторных станций необходимо внедрение оборудования и трубопроводов из нержавеющих сталей, а также создание автоматизированных систем контроля и управления процессом озонирования в целях оптимизации его в зависимости от качества исходной воды и ее расходов;
• зачастую для удаления побочных продуктов озонирования, способных оказать негативное влияние на качество питьевой воды, требуется внедрение дополнительных ступеней фильтрации с сорбционной угольной загрузкой и организация дополнительных ступеней подкачки общего потока воды, либо реконструкция действующих очистных сооружений для ввода в них технологических элементов сорбционной очистки на активных углях.

      Суммарные капитальные вложения на строительство  озонаторных комплексов с применением  сорбционных методов составляют 40-60 % стоимости традиционных очистных сооружений [6]. 

Обеззараживание воды УФ излучением. 

         Обеззараживающий эффект УФ излучения,  в основном, обусловлен фотохимическими  реакциями, в результате которых  происходят необратимые повреждения  ДНК. Помимо ДНК ультрафиолет действует и на другие структуры клеток, в частности, на РНК и клеточные мембраны. Ультрафиолет как высокоточное оружие поражает именно живые клетки, не оказывая воздействие на химический состав воды. Последнее свойство исключительно выгодно отличает его от всех химических способов дезинфекции. Многочисленные исследования показали отсутствие вредных эффектов после облучения воды даже при дозах, намного превышавших практически необходимые.

        Ультрафиолет эффективно обезвреживает микроорганизмы, например такого вида, как известный индикатор загрязнения Е. Coli. Другие известные возбудители: Proteus Vulgaris, Salmonella typhosa, Salmonella enteridis, Vibrio cholerae обладают еще меньшей устойчивостью к ультрафиолету. 

      Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется их влиянием на протоплазму и ферменты микробных клеток, что вызывает их гибель. Наибольшим воздействием на бактерии обладают лучи с длинами волн от 2000 до 2950А. В процессе отмирания бактерий под действием бактерицидной энергии важное значение имеет степень сопротивляемости их действию лучей, которая неодинаковая для различных видов. Эффективность этого метода зависит от количества поданной бактерицидной энергии, от наличия взвеси, от количества микроорганизмов и их морфологических и физиологических особенностей и от оптической плотности воды, или ее погашающей способности. 

      Источником  ультрафиолетовых лучей служат ртутные  лампы, изготовленные из кварцевого или увиолевого стекла. Лампы имеют форму трубки диаметром 15 - 20 см с оксидными электродами на концах. Под действием электрического тока ртутные пары дают яркий зеленовато-белый свет, богатый ультрафиолетовыми лучами.  

      Опыт эксплуатации установок для обеззараживания воды бактерицидными лучами показывает, что этот метод обеспечивает надежную дезинфекцию воды. Вода, обезвреженная этим методом, не изменяет ни физических, ни химических свойств.  

              Однако  традиционно применяющиеся для обработки воды ультрафиолетовые лампы низкого давления малоэффективны при уничтожении спорообразующих бактерий, вирусов, грибков, водорослей и плесени. Дозы облучения для ряда спор и грибков составляют 100–300 мДж/см², в то время как ультрафиолетовые облучатели низкого давления с трудом могут обеспечить требуемые 16 мДж/см². 

          Безусловно, существенное ограничение в применении этого типа обеззараживания воды играет, и обрастание кристаллами соли, и биообрастание защитных кварцевых оболочек ультрафиолетовых ламп [7]. 

      Эта проблема была решена при разработке новой технологии, включающей непрерывную обработку воды ультрафиолетовым излучением с длиной волны 253,7 нм и 185 нм с одновременным облучением воды ультразвуком с плотностью ≈ 2 Вт/см² .

             При обработке проходящего потока воды ультразвуковым излучателем, размещенным непосредственно в камере ультрафиолетового облучателя, в воде возникают короткоживущие парогазовые каверны (пузырьки), которые появляются в момент снижения давления в воде и схлопываются при сжатии воды. Скорость схлопывания очень высокая, и в окрестности точек схлопывания возникают экстремальные параметры – огромные температура и давление. Вблизи точки схлопывания полностью уничтожается патогенная микрофлора, и образуются активные радикалы. Каверны возникают в объеме камеры ультрафиолетового излучателя, причем преимущественно на неоднородностях. В качестве неоднородностей могут служить споры грибков и бактерий, которые затем оказываются в центре схлопывания пузырька, играя роль своеобразной мишени. 

       Одновременно в пузырьках под  воздействием жесткого ультрафиолетового излучения с длиной 185 нм, возникают активные радикалы, озон, пероксид водорода (Н₂О₂) и другие. Благодаря многочисленности пузырьков при малых их размерах и при наличии тенденции к схлопыванию наработанные в пузырьках активные радикалы эффективно и равномерно растворяются в воде, а затем уничтожают патогенную микрофлору. При этом ультрафиолетовое излучение существенно стимулирует действие активных радикалов. Энергозатраты на обеззараживание воды составляют 7,0–8,0 Вт на 1 м³/ч, а срок службы установок не менее 10 000 часов. 

         Надо также учесть, что ультразвуковой  излучатель, помещенный внутри камеры  ультрафиолетовой обработки, работает  и как стиральная машина, тщательно  отмывающая поверхности корпуса  и защитного кварцевого кожуха  ультрафиолетового излучателя, что предотвращает их биообрастание и соляризацию. 

      Организация процесса обеззараживания хлорированием  требует меньше капитальных вложений, чем внедрение УФ-оборудования. Однако, несмотря на высокую стоимость, метод обеззараживания УФ-излучением имеет следующие преимущества [8]: 

• структура капитальных вложений, при которой удельный вес стоимости оборудования в общих затратах на строительство станции составляет 90-95 %, представляется наиболее благоприятной для реализации в связи с минимальным объемом строительно-монтажных работ;
• незначительные объемы строительно-монтажных работ объясняются компактностью УФ-установок, позволяющей обеспечить их внедрение в существующие помещения очистных сооружений и насосных станций, либо размещать их во вновь строящихся зданиях минимальных размеров, а также простотой в обслуживании, обусловливающей отсутствие требований по устройству специального грузоподъемного оборудования и, как следствие, малую высоту помещений.

 
Для обеззараживания воды методом  УФ-излучения характерны более низкие, чем при хлорировании и, тем более, озонировании, эксплуатационные расходы. Это связано:

• с незначительными затратами электроэнергии (в 3-5 раз меньшими, чем при озонировании);
• с отсутствием потребности в дорогостоящих (в настоящее время) реагентах: жидком хлоре, гипохлорите натрия или кальция;
• с простотой эксплуатации и отсутствием необходимости в специальном обслуживающем персонале и, как следствие, в затратах на его содержание.

      Исходя  главным образом из экономических  соображений, предпочтительным является размещение УФ-оборудования в конце очистных сооружений, чтобы облучению подвергалась вода, имеющая наиболее высокий коэффициент пропускания УФ-излучения. 

      К недостаткам рассматриваемого метода обеззараживания следует отнести невозможность его использования для обеззараживания вод, отличающихся повышенной мутностью и цветностью, а также возможность последующего заражения воды при недостаточной дозе облучения. Еще одним отрицательным аспектом  УФ-излучения является возможность возникновения колебаний в электрической сети, влияющих на изменение длины волны. 

      Применение  УФ-излучения вне комплекса прочих мер по обеззараживанию не всегда обеспечивает требуемый результат, поскольку этот метод не имеет остаточного действия и ряд простейших микроорганизмов к нему индифферентны. 
 

Хлорирование  воды 

      Хлорирование  воды как средства ее обеззараживания  было начато в начале XX века. Впервые  хлор для обеззараживания воды стали  использовать в Лондоне после  эпидемии холеры 1870 года. В России хлорирование воды было осуществлено в 1908 году, также в связи с эпидемией холеры. В дальнейшем, его проводили в Кронштадте, Нижнем Новгороде, Ростове-на-Дону, Петербурге. В последующие годы хлорирование воды как эффективное средство борьбы с инфекционными заболеваниями распространилось во всем мире быстрыми темпами и в настоящее время такой водой пользуются многие сотни миллионов людей [16]. 

      Не  секрет, что хлор – это яд. Токсичность  хлора связана с его высокой  окислительной способностью – он входит в тройку самых сильных галогенов. Это в свою очередь означает, что хлор способен разрушать любую органику и создавать на ее основе хлорорганические соединения. 

      Сущность обеззараживающего действия хлора заключается в окислительно-восстановительных процессах, происходящих при взаимодействии хлора и его соединений с органическими веществами микробной клетки. В качестве хлорреагентов используют в основном жидкий хлор, хлорную известь, гипохлориты и диоксид хлора. Растворимость хлора в воде зависит от температуры и давления. При атмосферном давлении и температуре 10°С в 1 л растворяется около 3 л газообразного хлора. При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты. Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты [4]. 

Cl₂ + H₂O ® HClO + HCl

HClO  ® Н⁺ + ClO^-  

Получающиеся  в результате диссоциации хлорноватистой кислоты гипохлоритные ионы     ClO^- обладают наряду с недиссоциированными молекулами хлорноватистой кислоты бактерицидным свойством. Сумма Cl₂  + HClO + ClO^- называют свободным активным хлором.  

      Количество  активного хлора, необходимого для  обеззараживания воды, должно определяться не по количеству болезнетворных бактерий, а по всему количеству органических веществ и микроорганизмов (а  также и неорганических веществ, способных к окислению), которые могут находиться в хлорируемой воде.