Химические методы обеззараживания воды.

Хлорирование воды в настоящее время получило наиболее широкое распространение благодаря многим техническим, гигиеническим и экономическим преимуществам перед другими методами обеззараживания.

Для хлорирования воды используют различные соединения хлора и разные способы их взаимодействия с водой. Наибольшее распро-

странение получил жидкий хлор, который поступает на водопроводные станции в цистернах или баллонах под высоким давлением. Он представляет собой маслянистую темно-зеленую жидкость плотностью 1,4 при 15 °С. При снижении давления жидкий хлор переходит в газообразный, хорошо растворяющийся в воде. Взаимодействие растворенного хлора с водой протекает по следующим реакциям:

 

С1₂ + Н ₂О = НС1 + НОС1, НОС1 = Н⁺ + ОС1^-.

Степень диссоциации хлорноватистой кислоты зависит от активной реакции воды. Обеззараживающее действие оказывают гипохлоритный ион ОС1^- и недиссоциированная хлорноватистая кислота.

Кроме жидкого хлора, в практике обеззараживания воды используют ряд его соединений, из которых практическое значение для централизованных систем питьевого водоснабжения имеет диоксид хлора (С10₂). Диоксид хлора - газ желто-зеленого цвета, хорошо растворимый в воде. При 4 °С в воде может раствориться до 20 объемов диоксида хлора. Диоксид хлора в воде практически не гидролизуется, действующим началом является молекула вещества.

Неорганические хлорамины (монохлорамин NH₂Cl и дихлорамин NHCl₂) широко используют при обеззараживании воды на водопроводах.

Гипохлориты кальция и натрия представляют собой соли хлорноватистой кислоты. Действующим началом гипохлоритов является гипохлоритный ион (ОС1^-). Хлорная известь - комплексное соединение, в котором ион кальция связан одновременно с анионами хлорноватистой и хлористоводородной кислот. Свежий технический продукт содержит не более 35% активного хлора. При хранении, особенно в сырости и на свету, хлорная известь теряет активность. Действующим началом гипохлоритов является гипохлоритный ион.

Различная бактерицидность хлорсодержащих препаратов связана с выраженностью их окислительных свойств. Современное представление о сущности окислительно-восстановительных реакций связывается с переносом электронов в ряду взаимодействующих веществ. Окислительно-восстановительный потенциал хлорсодержащих препаратов, как и их бактерицидная активность, возрастают в ряду хло- рамин-хлорная известь-хлоргаз-диоксид хлора.

Процесс взаимодействия хлора с бактериальной клеткой в воде проходит две стадии: сначала обеззараживающий агент диффундирует внутрь бактериальной клетки, а затем вступает в реакцию с белками цитоплазмы, ядерным аппаратом клетки, а также с энзимами клетки, в первую очередь с дегидрогеназами, блокируя SH-группы. В экспериментах показана прямая корреляция подавления активности дегидрогеназ с бактерицидным эффектом. Препараты хлора воздействуют в основном на вегетативные формы бактерий. Спороцидный эффект проявляется в эксперименте при высоких концентрациях хлора и длительном контакте, нереальных для технологии водоподготовки. Высокорезистентны к действию хлора вирусы, а также цисты простейших и яйца гельминтов.

На эффективность хлорирования влияет ряд факторов, связанных с биологическими особенностями микроорганизмов, бактерицидными свойствами препаратов хлора, состоянием водной среды, условиями, в которых производится обеззараживание.

Скорость процесса обеззараживания воды определяется диффузией обеззараживающего агента внутрь клетки и отмиранием клеток в результате нарушения их метаболизма. Скорость обеззараживания возрастает с увеличением концентрации обеззараживающего вещества в воде, повышением ее температуры и переходом обеззараживающего агента в недиссоциированную форму, поскольку диффузия молекул через мембрану клетки происходит быстрее, чем гидратированных ионов, образующихся при диссоциации.

Эффективность хлорирования в большой мере зависит и от первоначального количества микробов в исходной воде. Эффективность хлорирования зависит от состава водной среды, в которой проявляется бактерицидное действие этих препаратов. С повышением рН воды бактерицидный эффект уменьшается.

Суперхлорирование, т.е. хлорирование избыточными дозами хлора, используется при особой эпидемической обстановке и при невозможности обеспечить достаточное время контакта воды с хлором. При суперхлорировании также не провоцируются запахи в воде, поскольку образовавшиеся на раннем этапе взаимодействия хлора с водой хлорорганические соединения в дальнейшем разрушаются избытком хлора. Однако необходимо удаление избыточного остаточного хлора (дехлорирование) перед подачей воды потребителю, что достигается добавлением к воде гипосульфита, сорбцией хлора на активированном угле или аэрацией.

При хлорировании диоксидом хлора отмечается более высокий бактерицидный эффект при той же дозе активного хлора, не образуется новых запахов и даже исчезают запахи (бензина, меркаптана и пр.), имевшиеся в исходной воде. Это объясняется тем, что действующим началом при введении диоксида хлора является не хлорноватистая кислота, а молекула диоксида хлора - более сильный окислитель.

Гипохлориты можно получать на месте потребления электролитическим путем. В качестве электролитов используются или специально приготовленные растворы хлорида натрия, или природные электролиты - подземные минерализованные и морские воды. Обеззараживание на установках водоподготовки производительностью до 5000 м³/сут возможно прямым электролизом воды при исходном содержании хлоридов не менее 20 мг/л и жесткости до 7 мг-экв/л. Получение гипохлоритов непосредственно на водопроводной станции имеет значительные экономические преимущества и позволяет избежать транспортировки и хранения жидкого хлора - опасного и токсичного вещества.

Для обеззараживания воды на водопроводах, использующих поверхностные источники с очень высоким бактериальным загрязнением, используют так называемое двойное хлорирование. Основную дозу хлора вводят в воду перед процессом очистки, а после очистки выполняют заключительное хлорирование. Такой способ положительно оценивается технологами по обработке воды, поскольку в значительной мере снижает обрастание водопроводных сооружений и коммуникаций водорослями. Однако высокая концентрация образующихся при этом хлорорганических соединений не позволяет считать метод двойного хлорирования безупречным. Предшественники хлорорганических соединений - гуминовые кислоты и фульвокислоты, производные фенола, анилина, являющиеся продуктами метаболизма водорослей, постоянно присутствуют в воде поверхностных источников водоснабжения. Хлорорганические соединения в низких дозах не только оказывают общетоксическое действие, но и способны дать эмбриотоксический, мутагенный и канцерогенный эффект.

Обеззараживание воды озоном.

Обеззараживающее действие озона на вегетативные формы бактерий в 15-20 раз, а на споровые формы в 300-600 раз более выражено, чем действие хлора.

Косвенным показателем эффективности обеззараживания воды озоном при оперативном контроле служит присутствие в воде остаточных количеств озона на уровне 0,1-0,3 мг/л после камеры смешения (барботажных колонн).

Преимущества озона перед хлором при обеззараживании воды состоят в том, что озон не образует в воде соединений, подобных хлорорганическим, улучшает органолептические свойства воды и обеспечивает бактерицидный эффект при меньшем времени контакта. Широкое внедрение озонирования в практику обработки воды сдерживается высокой энергоемкостью процесса получения озона; озонирование на порядок дороже хлорирования.

Другие бактерицидные вещества, используемые для обеззараживания воды. Практический опыт обеззараживания воды серебром накапливался человечеством на протяжении ряда веков. Работами отечественных и зарубежных ученых установлен высокий бактерицидный эффект серебра уже в концентрации 0,05 мг/л; эффективны рабочие концентрации 0,2-0,4 мг/л и выше. Антимикробное действие серебра охватывает многие виды бактерий и вирусы, но вирулицидный эффект проявляется только при высоких, выше 0,5 мг/л, концентрациях, а спороцидного действия серебро не оказывает.

Механизм бактерицидного действия серебра заключается в блокировании функциональных групп ферментных систем клетки, расположенных в цитоплазматической мембране и в периплазматическом пространстве. Инактивация ферментных групп малыми концен-

трациями положительных ионов металлов носит название олигодинамического эффекта. В современных установках используется электролитический способ введения серебра. На аноде при этом образуются ионы гипохлорита и перекисных соединений, которые усиливают олигодинамическое действие серебра.

Применение серебра для обеззараживания питьевой воды сдерживают его высокая стоимость, а также то обстоятельство, что его ПДК в воде, установленная по токсикологическому признаку вредности, составляет 0,05 мг/л, что на порядок ниже эффективных по бактерицидному действию концентраций. В связи с этим серебро применяется для обеззараживания и консервации небольших объемов питьевой воды в системах автономного жизнеобеспечения.

Для обеззараживания питьевой воды используют олигодинамический эффект ионов меди. Антимикробные спектры серебра и меди совпадают, но действующие концентрации меди выше, и бактерицидный эффект развивается медленнее.

Для обеззараживания индивидуальных или небольших групповых запасов питьевой воды в полевых условиях используют препараты йода, которые, в отличие от препаратов хлора, действуют быстрее и не ухудшают органолептические свойства воды.