Обеззараживание воды

      Уменьшение  концентраций побочных продуктов хлорирования требует нестандартных решений очистки воды на первичном этапе водоподготовки. Одним из таких решений является технологическая схема с предварительным озонированием воды. Опыт ее применения позволяет сделать вывод, что при этом повышается качество очищенной воды по мутности, цветности, удаляются привкусы и запахи. Предварительное озонирование позволяет существенно уменьшить дозу коагулянта. Однако хлорирование воды после ее озонирования, как уже отмечалось выше, влечет свои проблемы [9]. 

     Последние исследования показали, что мнение об озонировании как о более безвредном способе обеззараживания воды – ошибочно. Не стоит забывать о том, что озон – неустойчивое химическое соединение трех атомов кислорода O₃. Поэтому озон имеет очень высокую химическую активность. Продукты реакции озона с содержащимися в воде органическими веществами представляют собой альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и другие гидроксилированные алифатические и ароматические соединения. Наиболее часто в озонированной воде отмечается присутствие альдегидов (формальдегид, ацетальдегид, глиоксаль, метилглиоксаль).

     Существуют, как минимум, три основные причины  нежелательного присутствия альдегидов в питьевой воде:

     •  альдегиды – высоко биоразлагаемые вещества, и значительное их количество в воде повышает возможность биологического обрастания трубопроводов и увеличивает опасность вторичного загрязнения воды микробиологическими компонентами;

     • некоторые альдегиды обладают канцерогенной  активностью и представляют опасность  для здоровья людей;

     • вследствие отсутствия эффекта последействия необходимо осуществлять хлорирование на второй ступени обеззараживания питьевой воды, а при этом образовавшиеся в воде альдегиды увеличивают опасность образования хлорорганических побочных продуктов типа хлорцианатхлоральгидрата.

     Применение другого альтернативного дезинфектанта – УФ-облучения позволяет избавиться от побочных продуктов обеззараживания, что является его несомненным достоинством. Но сегодня его промышленное применение осложняется отсутствием возможности оперативного контроля эффективности обеззараживания воды. Применение этого метода на практике определило необходимость конкретизации ряда положений водно-санитарного законодательства в части гигиенических требований к применяемой дозе облучения, гарантирующей качество воды, к УФ-системам и месту их расположения в технологической схеме водоподготовки. С этой целью выпущены соответствующие методические указания, в которых указывается на возможность применения УФ-облучения на этапе первичного обеззараживания воды при условии проведения на источнике водоснабжения технологических исследований. Методические указания не регламентируют величину дозы УФ-облучения при использовании его на этапе первичного обеззараживания воды [19].

     Вместе  с тем в методических указаниях  отмечается, что УФ-облучение обеспечивает заданный бактерицидный и вирулицидный эффект лишь при соблюдении всех установленных эксплуатационных условий. Поэтому одним из важнейших вопросов применение этого метода является создание гарантий его надежности. С этой целью система должна быть снабжена датчиками измерения интенсивности УФ-облучения в камере обеззараживания, системой автоматики, гарантирующей звуковой и световой сигналы при снижении минимальной заданной дозы, счетчиков времени наработки ламп и индикаторов их исправности. Кроме того, для выполнения условий труда и безопасности здоровья обслуживающего персонала необходимо контролировать концентрацию озона в воздухе помещения, где расположена УФ-установка, соблюдать правильность хранения УФ-ламп, выполнять правила безопасности указанные в документах на применяемый тип УФ-установки.

     Перечисленные технические сложности требуют  достаточно критичного отношения к  применению УФ-излучения в тех  или иных практических условиях. Тем не менее, применение одновременно в системе обеззараживания с использованием хлорсодержащих реагентов и УФ-облучения, дает довольно успешные результаты [23].

     Неоспоримое достоинство хлора перед другими традиционными методами обеззараживания – эффект последействия. Поэтому отказ от хлорирования, несмотря на его явные недостатки, пока не представляется возможным. Хлорирование обязательно, если вода направляется в разводящую сеть, а это мы имеем в подавляющем большинстве схем водоподготовки. И так как применение хлора неизменно в таких случаях, необходимо позаботиться об уменьшении количества образующихся при его использовании побочных продуктов, вредных для здоровья человека. Это требует, с одной стороны  – снижения до допустимого минимума дозы вводимого в воду хлора и контроля дозы, что обеспечивается системой автоматического регулирования расхода хлора (САР-РХ), а с другой – снижения концентраций в воде органических веществ природного происхождения до хлорирования [20].

      В целях снижения концентрации органических веществ в очищаемой воде, можно воспользоваться адсорбционной установке смесительного типа. Метод адсорбции отличается высокой эффективностью при выделении из воды растворенных примесей органического и неорганического происхождения. Принцип адсорбции основан на межмолекулярном взаимодействии примесей, содержащихся в воде, с частицами адсорбента. В качестве сорбента используют такие материалы, как песок, кокс, опилки и т.д. Наиболее эффективным является  активированный уголь.  

      Нельзя  забывать о том, что к воде предъявляются  высокие требования по очистке от нерастворимых примесей (концентрация примесей не должна превышать 8 мг/л). Поэтому перед подачей воды на адсорбционную установку, необходимо провести предварительную механическую очистку воды и фильтрование. 

      Снижение  до минимума концентраций органических примесей, посредством вышеперечисленных методов, позволит понизить дозу хлорреагента при дальнейшем обеззараживании, и тем самым уменьшит образования побочных продуктов хлорирования.

Обеззараживание воды с применением гипохлорита  натрия 

      Применение  жидкого хлора для обеззараживания воды требует неукоснительного соблюдения "Правил по производству, транспортированию, хранению и потреблению хлора" (ПБ 09-594-03) [10], в связи с чем затраты на обеспечение мер безопасности при использовании жидкого хлора многократно превышают затраты на само хлорирование. Затраты же на ликвидацию последствий возможной разгерметизации многотонных запасов жидкого хлора вообще не предсказуемы. Эти недостатки особенно ощутимы в нашей стране при обширной ее территории, когда хлор приходится перевозить на большие расстояния от заводов-поставщиков. Опасность утечки хлора на базисных складах водоочистных комплексов, расположенных вблизи населенных пунктов, во многих случаях препятствует применению этого метода обеззараживания воды. Использование хлорной извести и гипохлорита кальция технически просто, но дорого для крупных водоочистных комплексов. 

      По  этой причине на сегодняшний день наиболее предпочтительным реагентом для первичного окисления и последующего обеззараживания питьевой воды перед подачей её в распределительную сеть считается гипохлорит натрия (ГХН), содержащий не менее 190 г/л активного хлора. Безопасность и надежность технологии обеззараживания воды гипохлоритом натрия способствовали ее стремительному внедрению на многие водопроводные станции страны [23]. Электрохимический способ получения гипохлорита натрия основан на получении хлора и его взаимодействии со щелочью в одном и том же аппарате – электролизере [4]. 

      ГХН имеет ряд технологических преимуществ по сравнению с традиционной обработкой воды жидким хлором [11]: 

• реагент ГХН применяется в виде водного раствора и безопасен в обращении;
• при хранении и использовании гипохлорита натрия практически отсутствует выделение газообразного хлора;
• производительность системы дозирования гипохлорита натрия может регулироваться в автоматическом режиме как по сигналу расходомера (пропорциональное дозирование без обратной связи), так и по сигналу прибора, контролирующего остаточное содержание реагента после его введения (дозирование с обратной связью);
• для внедрения технологии хлорирования питьевой воды ГХН используются существующие помещения, что значительно упрощает переход сооружений на новую технологию;
• товарный гипохлорит натрия содержит относительно невысокие концентрации активного хлора (не более 15% по массе), поэтому оборудование для его нейтрализации значительно сокращается как по размеру, так и по сложности;
• товарный раствор гипохлорита натрия содержит в своём составе свободную щелочь (от 40 до 60 г/дм3), что значительно улучшает условия обработки воды при использовании коагулянтов, содержащих свободную кислоту, и сокращает затраты на подщелачивание обрабатываемой воды;
• раствор гипохлорита натрия менее опасен, к нему предъявляются более мягкие требования при транспортировке;
• товарный раствор гипохлорита натрия может перевозиться всеми видами транспорта.

       Применение вместо хлора раствора гипохлорита натрия практически не вносит изменения в отработанную на насосно-фильтровальных станциях технологию с точки зрения обеспечения качества получаемой питьевой воды. Вместе с тем, появление возможности размещения складов обеззараживающего реагента (ГХН) непосредственно вплотную к блокам очистки и узлам обеззараживания воды, а не на отдельной площадке, несомненно, повышает оперативность управления технологическим процессом, а также практически исключает риск масштабных аварийных ситуаций, которые имеют место при использовании свободного хлора.  

        Проектные решения предусматривают полную автоматизацию технологических процессов хлорирования исходной воды ГХН. Все операции по дозированию реагента осуществляются в автоматическом режиме с учетом фактических результатов контроля расхода и качества воды. Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) обеспечивает постоянный контроль параметров процесса и управление технологическими режимами для поддержания фактических показателей в регламентных значениях. 

        В проектной документации предусмотрен достаточный комплекс мер для предотвращения аварийной разгерметизации оборудования и локализации выбросов вредных веществ, защиты эксплуатационного персонала [12].  

   Принятые технические решения соответствуют требованиям норм и правил в области промышленной безопасности.  

      Гипохлорит натрия марки А (ГХН), ГОСТ 11086-76; ТУ 6-01-29-93 – NaOCl относится к реагентам-дезинфектантам и применяется для окисления и обеззараживания питьевой воды. Плотность раствора при 20°С – 1,27 г/см3. Это довольно устойчивый слабощелочной раствор. 

  Дезинфицирующее действие ГХН основано на том, что при растворении в воде он точно так же, как хлор образует хлорноватистую кислоту, которая оказывает непосредственное окисляющее и дезинфицирующее действие.  

      При введении гипохлорита натрия в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты по реакции:  

NaClO + H₂O ® HClO + NaOH;

HClO ® Н⁺ + ClO^- 

      Реакция является равновесной, и образование  хлорноватистой кислоты зависит  от величины рН и температуры воды [13]. 

Рис.2 Технологическая  схема производства гипохлорита натрия 

Получение гипохлорита натрия при помощи электролизной установки 

      Одним из наиболее предпочтительных способов использования гипохлорита натрия в качестве окислителя и дезинфектанта является способ обработки воды гипохлоритом натрия, получаемым на месте его применения путем электролиза раствора хлорида натрия и его взаимодействии со щелочью. 

      На  аноде идет разряд ионов хлора (процесс окисления):

2Cl^- = Cl₂ + 2e^- 

      Выделяющийся  хлор растворяется в электролите (NaCl) с образованием хлорноватистой и  соляной кислот:

Cl₂ + H₂O = HClO +HCl 

      На  катоде происходит разряд молекул воды (процесс восстановления):

H₂O + e^- = OH^- + H⁺ 

      Атомы водорода после рекомбинации выделяются из раствора в виде газа, оставшиеся же в растворе ионы OH- образуют возле  катода с ионами Na+ щелочь. Вследствие перемешивания анолита с католитом  происходит взаимодействие хлорноватистой кислоты со щелочью с образованием гипохлорита натрия:

HClO + NaOH = NaClO + H₂O 

      Использование искусственно приготовленных растворов хлорида натрия экономически не выгодно. При обработке питьевой воды раствор ГХН, пригодный для ее обеззараживания, должен отвечать повышенным требованиям по чистоте и содержанию примесей, что в случаях применения искусственно приготовленных растворов хлорида натрия достигается использованием очищенного хлорида натрия и специально подготовленной воды либо последующей очисткой гипохлорита натрия, а это существенно увеличивает стоимость обработки питьевой воды [4]. 

      Наиболее  близким к предлагаемому является способ обработки воды гипохлоритом натрия, получаемым на месте его потребления с использованием в качестве исходного сырья для электролиза природных растворов хлорида натрия, например, подземных минерализованных вод или морской воды. При этом электролиз осуществляют в непроточном режиме. Однако морская вода не может быть использована без предварительной очистки для производства ГХН, в силу своей загрязненности, что обуславливает повышенные расходы на обработку воды. Использование же природных подземных растворов хлорида натрия, в частности подземной минерализованной воды, для получения гипохлорита натрия к настоящему времени не имеют практического применения из-за отсутствия экономичной технологической схемы.