Текст книги "Современные методы обеззараживания воды"

Е. А. Хохрякова
Современные методы обеззараживания воды

Введение

Природная вода, как правило, не соответствует гигиеническим требованиям, предъявляемым к питьевой воде, поэтому перед подачей населению практически всегда необходима ее очистка и обеззараживание. Потребляемая человеком для питья, как и используемая на различных производствах, природная вода должна быть безопасной в санитарно-эпидемиологическом отношении, безвредной по своему химическому составу и иметь благоприятные органолептические свойства.

Известно, что ни один из современных методов обработки воды не обеспечивает ее 100 %-ной очистки от микроорганизмов. Но даже если бы система водоподготовки и могла способствовать абсолютному удалению из воды всех микроорганизмов, то всегда остается большая вероятность вторичного загрязнения очищенной воды при ее транспортировке по трубам, хранении в емкостях, контакте с атмосферным воздухом и т. д.

Санитарные правила и нормы (СанПиН) не ставят целью доведение воды по микробиологическим показателям до идеального, а следовательно, стерильного качества, при котором в ней будут отсутствовать все микроорганизмы. Задача состоит в том, чтобы удалить наиболее опасные из них для здоровья человека.

Основными документами, которые определяют гигиенические требования к качеству питьевой воды, являются: СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» и СанПиН 2.1.4.1175-02 «Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Гигиенические требования к качеству воды нецентрализованного водоснабжения. Санитарная охрана источников».

В настоящее время известно много методов обеззараживания воды и множество приборов, использующихся их для реализации. Выбор способа обеззараживания зависит от множества факторов: источника водоснабжения, биологических особенностей микроорганизмов, экономической целесообразности и т. д.

Главная задача этого издания – дать основные сведения о современных методах обеззараживания воды для питьевых целей, краткую характеристику каждого метода, аппаратурного его оформления и возможности применения в практике централизованного и индивидуального водоснабжения.

Важно и нужно, чтобы каждый водопользователь мог правильно сформулировать цели и задачи при выборе метода обеззараживая и в конечном итоге – получения качественной питьевой воды.

В издании приведены начальные сведения по основным источникам водопользования, их характеристика и данные о пригодности источника для питьевых целей, а также нормативные документы, регламентирующие водно-санитарное законодательство, сравнительный обзор нормативных документов, регламентирующих качество питьевой воды в части обеззараживания, принятых в России и за рубежом.

Очистка воды, в том числе её обесцвечивание и осветление, является первым этапом в подготовке питьевой воды, на котором из нее удаляются взвешенные вещества, яйца гельминтов и значительная часть микроорганизмов. Однако некоторые патогенные бактерии и вирусы проникают через очистные сооружения и содержутся в фильтрованной воде.

Для того чтобы создать надёжный барьер на пути возможной передачи через воду кишечных инфекций и других, не менее опасных болезней, и применяется её обеззараживание, т. е. уничтожение патогенных микроорганизмов – бактерий и вирусов.

Именно микробиологические загрязнения воды приводят к максимальному риску для здоровья человека. Доказано, что опасность заболеваний от присутствующих в воде болезнетворных микроорганизмов в тысячи раз выше, чем при загрязнении воды химическими соединениями различной природы.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что именно обеззараживание до пределов, отвечающих установленным гигиеническим нормативам, является обязательным условием получения воды для питьевых нужд.

1. Источники водоснабжения, их пригодность для обеззараживания

Все источники водозабора подразделяются на два больших класса – подземные воды и поверхностные воды. К подземным относятся: артезианские, подрусловые, родниковая. Поверхностные воды – это речная, озерная, морская и вода из водохранилищ.

В соответствии с требованиями нормативного документа ГОСТ 2761-84, выбор источника водоснабжения производится на основании следующих данных:

при подземном источнике водоснабжения – анализов качества воды, гидрогеологической характеристики используемого водоносного горизонта, санитарной характеристики местности в районе водозабора, существующих и потенциальных источников загрязнения почвы и водоносных горизонтов;

при поверхностном источнике водоснабжения – анализов качества воды, гидрологических данных, минимальных и средних расходов воды, соответствия их предполагаемому водозабору, санитарной характеристики бассейна, развития промышленности, наличия и возможности появления источников бытового, промышленного и сельскохозяйственного загрязнения в районе предполагаемого водозабора. Характерной чертой воды из поверхностных источников является наличие большой водной поверхности, которая непосредственно соприкасается с атмосферой и находится под воздействием лучистой энергии солнца, что создает благоприятные условия для развития водной флоры и фауны, активного течения процессов самоочищения.

Однако вода открытых водоемов подвержена сезонным колебаниям состава, содержит различные примеси – минеральные и органические вещества, а также бактерии и вирусы, а вблизи крупных населенных пунктов и промышленных предприятий велика вероятность ее загрязнения различными химическими веществами и микроорганизмами.

Для речной воды характерны высокая мутность и цветность, наличие большого количества органических веществ и бактерий, низкое солесодержание и жесткость. Санитарные качества речной воды низкие вследствие загрязнения ее сточной водой из жилых поселков и городов.

Для озерной и воды из водохранилищ характерны низкое содержание взвешенных частиц, высокая цветность и перманганатная окисляемость, часто наблюдается цветение воды за счет развития водорослей. Озерная вода имеет различную степень минерализации. Эти воды небезопасны в эпидемиологическом отношении.

В поверхностных водотоках происходят процессы самоочищения воды за счет физических, химических и биологических реакций. Под действием биохимических процессов при участии простейших водных организмов, микробов-антагонистов, антибиотиков биологического происхождения погибают патогенные бактерии и вирусы.

Круговорот воды в глобальном природном цикле: 1– мировой океан; 2 – почвенные и грунтовые воды; 3 – поверхностные воды суши; 4 – снег и лед; 5 – транспирация; 6 – речной (поверхностный) сток; 7 – вода в атмосфере в виде паров и атмосферной влаги.

Как правило, процессы самоочищения не обеспечивают качества воды, необходимого для хозяйственно-питьевых нужд, поэтому вся поверхностная вода подвергается процессам очищения с обязательным последующим обеззараживанием.

Воды из подземных источников водозабора имеют ряд преимуществ перед поверхностными: защищенность от внешнего воздействия и безопасность в эпидемиологическом отношении.

Морская вода содержит большое количество минеральных солей. Ее применяют в производственном водоснабжении для охлаждения, а при отсутствии пресных вод – и для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения после опреснения.

Применение воды из подземных источников водозабора для водоснабжения имеет ряд преимуществ перед поверхностными источниками. Самыми важными из них являются защищенность от внешнего воздействия и, как следствие, безопасность в эпидемиологическом отношении.

Накопление и движение подземных вод зависит от строения пород, которые по отношению к воде разделяются на водонепроницаемые (водоупорные) и водопроницаемые. К водонепроницаемым относятся: гранит, глина, известняк; к водопроницаемым – песок, гравий, галечник и трещиноватые породы.

По условиям залегания подземные воды делятся на почвенные, грунтовые и межпластовые.

Почвенные воды наиболее близко расположены к поверхности, не защищены ни одним водонепроницаемым слоем. И как результат состав почвенных вод испытывает сильные колебания состава как в кратковременные периоды (дождь, засуха и т. д.), так и по временам года, например, таяние снега. Так как атмосферные воды могут легко попадать в почвенные, то применение почвенных вод для водоснабжения требует системы очистки и обязательного обеззараживания.

Грунтовые воды расположены ниже почвенных, глубина залегания от двух до нескольких десятков метров; они скапливаются на первом водонепроницаемом слое, но не имеют верхнего водонепроницаемого слоя. Между грунтовыми и почвенными водами может происходить водообмен, поэтому качество почвенных вод влияет на состояние грунтовых. Состав грунтовых вод подвержен несильным колебаниям и является фактически постоянным. В процессе фильтрования через слой почвы воды очищаются от минеральных примесей и частично от бактерий и микроорганизмов. Грунтовые воды являются наиболее распространенными источниками водоснабжения в сельских местностях.

Подрусловые воды – это воды, добываемые из скважин, глубина которых соответствует отметкам дна ручья, реки или озера. Может происходить просачивание речной воды в грунтовый слой, эти воды также называют подрусловыми. Состав подрусловых вод подвержен различным колебаниям, не очень надежен в санитарном отношении; и применение этих вод для системы водоснабжения требует очистки и обеззараживания.

Родник – это источник воды, самостоятельно изливающийся на поверхность. Наличие родника свидетельствует о нахождении в глубине водоупорного слоя, подпирающего водоупорный пласт, насыщенный влагой. Качество и состав родниковой воды определяется питающей ее грунтовой водой.

Межпластовые воды находятся между двумя водонепроницаемыми породами. Верхний водонепроницаемый слой защищает эти воды от проникновения атмосферных осадков и грунтовых вод. Вследствие глубокого залегания колебания состава воды незначительные, воды наиболее благополучные в санитарном отношении.

Загрязнение межпластовых вод происходит крайне редко: только при нарушении целостности водоупорных слоев или при отсутствии надзора за старыми скважинами, бывшими в эксплуатации на протяжении долгого времени.

Межпластовые воды могут иметь естественный выход на поверхность в виде восходящих ключей или родников – эти воды более всего подходят для системы питьевого водоснабжения.

Следует отметить, что единого состава воды не существует, поскольку даже артезианская вода, залегающая на одной и той же глубине, попадает к нам в дом, проходя через различные породы, изменяя при этом свой состав.

2. Классификация методов обеззараживания

В технологии водоподготовки существует много методов обеззараживания воды, которые условно можно разделить на два основных класса – химические и физические, а также их комбинирование.

В химических методах обеззараживание достигается введением в воду биологически активных соединений.

При физических методах вода подвергается обработке различными физическими воздействиями.

К химическим или реагентным методам обеззараживания воды относится введение сильных окислителей, в качестве которых используют хлор, диоксид хлора, озон, иод, гипохлорит натрия и кальция, перекись водорода, марганцевокислый калий. Из вышеперечисленных окислителей практическое применение в системах обеззараживания воды находят: хлор, озон, гипохлорит натрия, диоксид хлора. Другой химический метод – олигодинамия – воздействие на воду ионами благородных металлов.

В случае обеззараживания питьевой воды химическим методом для достижения стойкого обеззараживающего эффекта необходимо правильно определить дозу вводимого реагента и обеспечить достаточную длительность его контакта с водой. Доза реагента при этом рассчитывается, или проводится пробное обеззараживание на модельном растворе/объекте.

Доза реагента рассчитывается с избытком (остаточный хлор), гарантирующим уничтожение микроорганизмов, даже попадающих в воду еще на протяжении некоторого времени после ее обеззараживания, что обеспечивает пролонгированный эффект.

Физические методы обеззараживания:

– ультрафиолетовое облучение;

– термическое воздействие;

– ультразвуковое воздействие;

– воздействие электрическим разрядом.

При физических методах обеззараживания воды к единице её объема необходимо подвести заданное количество энергии, определяемое как произведение интенсивности воздействия (мощности излучения) на время контакта.

Эффективность обеззараживания воды химическими и физическими методами во многом зависит от свойств воды, а также от биологических особенностей микроорганизмов, т. е. их устойчивости к этим воздействиям.

Выбор метода, оценка экономической целесообразности применения того или иного метода обеззараживания воды определяется источником водоснабжения, составом воды, типом установленного оборудования водопроводной станции и ее местоположением (удаленностью от потребителей), стоимостью реагентов и оборудования дезинфекции.

Важно понимать – ни один из методов обеззараживания не является универсальным и самым лучшим. Каждый метод обладает своими достоинствами и недостатками.

3. Нормативно-технические документы водно-санитарного законодательства

Вода, потребляемая людьми, живущими в самых различных условиях, поступает из многих источников. Это могут быть реки, озера, болота, водоёмы, колодцы, артезианские скважины и т. д. Соответственно, вода, добываемая из разных по происхождению источников, различается по своим качествам и свойствам.

Существует большая вероятность того, что даже вода из близко расположенных друг к другу источников будет разительно различаться по качеству.

Промышленные предприятия, санатории, коммерческие компании, больницы и прочие лечебные учреждения, сельские жители и жители мегаполисов – все предъявляют свои, особые, требования к качеству воды.

Именно поэтому очистка и обеззараживание воды необходимы тогда, когда качество воды не отвечает требованиям потребителей.

Требования к качеству и безопасности воды установлены в следующих основных нормативных документах, перечисленных в табл. 1.

Таблица 1

Существуют также технологические нормативы и требования, связанные с проектированием систем водоподготовки (табл. 2).

Таблица 2

Безопасность воды в эпидемическом отношении определяется общим числом микроорганизмов и числом бактерий группы кишечных палочек. По микробиологическим показателям вода должна соответствовать требованиям, приведенным в табл. 3.

Таблица 3

*Индикаторные параметры качества воды. Только в целях мониторинга государства – члены ЕС на своей территории или ее части могут устанавливать дополнительные параметры, но их введение не должно ухудшать здоровье людей.

**Обязательные параметры.

4. Обработка воды сильными окислителями

Обеззараживание воды реагентными методами осуществляется добавлением в воду различных химических дезинфицирующих средств или проведением специальных мероприятий. Применение химических веществ в обработке воды обычно приводит к образованию побочных химических продуктов. Однако риск для здоровья от их воздействия ничтожен по сравнению с риском, связанным с вредоносными микроорганизмами, развивающимися в воде вследствие отсутствия ее обеззараживания или его некачественного проведения.

Минздравом разрешено применение более 200 средств для дезинфекции и стерилизации воды.

В данном разделе рассмотрим основные дезинфектанты, применяемые в системах водоснабжения России.

4.1. Хлорирование

Хлор был открыт шведским химиком Шееле в 1774 г. С этого года начинется история применения реагентов, содержащих активный хлор (уже более двух веков). Почти сразу было обнаружено его отбеливающее действие на растительные волокна – лен и хлопок. После этого открытия в 1785 г. французский химик Клод Луи Бертолле использовал хлор для беления тканей и бумаги в промышленном масштабе.

Но только в XIX в. было обнаружено, что «хлорная вода» (так в то время называли результат взаимодействия хлора с водой) обладает и дезинфицирующим действием. Можно считать, что в качестве дезинфицирующего средства хлор начал применяться с 1846 г., когда в одном из госпиталей Вены для врачей была введена практика ополаскивать руки «хлорной водой».

В 1888 г. на Международном гигиеническом конгрессе в Вене было признано, что многие заразные болезни могут распространяться посредством питьевой воды, в том числе такая опасная и распространенная на тот период, как холера. Фактически этот конгресс послужил толчком для поиска наиболее эффективного способа обеззараживания воды. Развитие темы хлорирования для обеззараживания питьевой воды связано со строительством водопроводов в больших городах. Впервые для этой цели его применили в Нью-Йорке в 1895 г. В России хлор для обеззараживания питьевой воды первый раз был использован в начале XX в. в Петербурге.

В настоящее время наиболее распространенным методом обеззараживания воды является применение хлора и его соединений. Более 90 % воды (подавляющее большинство) подвергается хлорированию. Технологическая простота процесса хлорирования и доступность реагентов обеспечили широкое внедрение хлорирования в практику водоснабжения.

Самое главное преимущество этого способа обеззараживания – способность обеспечить микробиологическую безопасность воды в любой точке распределительной сети, в любой момент времени, при ее транспортировании пользователю – именно благодаря эффекту последействия. После введения хлорирующего агента в воду он очень долго сохраняет свою активность по отношению к микробам, угнетает их ферментные системы на всем пути следования воды по водопроводным сетям от объекта водоподготовки (водозабора) до каждого потребителя.

Благодаря окислительным свойствам и эффекту последействия, хлорирование предотвращает рост водорослей, способствует удалению из воды железа и марганца, разрушению сероводорода, обесцвечиванию воды, поддержанию микробиологической чистоты фильтров и т. п.

4.2. Методика хлорирования

При выборе метода хлорирования (обработки воды хлором или другими хлорагентами) необходимо учитывать целевое назначение процесса хлорирования, характер имеющихся в воде загрязнений, особенности колебания состава воды в зависимости от сезона. Особое внимание следует уделить специфическим особенностям технологической схемы очистки воды и оборудования, входящего в состав очистных сооружений.

По целям все методики можно разделить на два больших класса: первичное (предварительное хлорирование, предхлорирование) и финишное (окончательное) хлорирование.

Первичное хлорирование – введение хлора или хлорсодержащих реагентов в воду проводится максимально близко к источнику забора воды. По своим целям первичное хлорирование служит не только для обеззараживания воды, но и для интенсификации процессов очистки воды от примесей, например обезжелезивания, коагулирования. При этом используются большие дозы хлора, стадия дехлорирования, как правило, отсутствует, так как избыточное количество хлора полностью удаляется на других стадиях очистки воды.

Финишное или окончательное хлорирование – это процесс обеззараживания воды, проводимый как последняя стадия ее подготовки, т. е. предварительно все загрязняющие вещества уже удалены и хлор расходуется только на обеззараживание.

Хлорирование проводят как небольшими дозами хлора – нормальное хлорирование, так и повышенными дозами – перехлорирование.

Нормальное хлорирование применяют при заборе воды из надежных в санитарном отношении источников. Дозы хлора должны обеспечивать необходимый бактерицидный эффект без ухудшения органолептических показателей качества воды. Допустимое количество остаточного хлора после 30-минутного контакта воды с хлором – не выше 0,5 мг/л.

Перехлорирование применяется при заборе воды из источников, характеризующихся большими колебаниями состава, особенно по микробиологическим показателям, и в том случае, если нормальное хлорирование не дает стабильного бактерицидного эффекта. Также перехлорирование применяют при наличии в воде фенолов, когда нормальное хлорирование приводит только к ухудшению органолептических показателей качества воды. Перехлорирование устраняет многие неприятные привкусы, запахи и в некоторых случаях может применяться для очистки воды от токсичных веществ. Доза остаточного хлора при перехлорировании обычно устанавливается в пределах 1–10 мг/л. Избыток остаточного хлора затем удаляют дехлорированием воды; небольшой избыток – аэрированием; большее количество – добавками восстанавливающего реагента – дехлора (тиосульфата или сульфита натрия, дисульфита натрия, аммиака, сернистого ангидрида, активированного угля).

Комбинированные методы хлорирования, т. е. обработка воды хлором совместно с другими бактерицидными препаратами, используют для усиления действия хлора или фиксации его в воде на более длительный срок. Комбинированные методы хлорирования, как правило, применяют для обработки больших количеств воды на стационарных водопроводах. К комбинированным методам относятся: хлорирование с манганированием, хлорсеребряный и хлормедный способы, а также хлорирование с аммонизацией.

Несмотря на то что хлорирование до сих пор является самым распространенным методом обеззараживания, данному методу присущи и некоторые ограничения в применении, например:

– в результате хлорирования в обрабатываемой воде могут образоваться хлорорганические соединения (ХОС);

– традиционные способы хлорирования в некоторых случаях не являются барьером на пути проникновения ряда бактерий и вирусов в воду;

– хлорирование воды, проводимое в больших масштабах, вызвало широкое распространение резистивных к хлору микроорганизмов;

– растворы хлорсодержащих реагентов коррозионно активны, что порой является причиной быстрого износа оборудования;

Как указано в методических рекомендациях по обеспечению выполнения требований СанПиН 2.1.4.10741-01, на водопроводных станциях при очистке природных вод при соблюдении нормативных условий хлорирования (содержание остаточного хлора – не менее 0,5 мг/л при контакте в течение 30 мин) можно уменьшить более, чем на 99 % содержание E.coli и некоторых вирусов, но не цист паразитирующих простейших. Для очистки воды от микробиологических загрязнений, устойчивых к действию хлорореагентов (вирус гепатита А или цисты лямблий), необходимо увеличить время контакта воды с хлором от 0,5 до 3 ч (при содержании остаточного хлора 0,5–0,6 мг/л).

Комбинированные методы хлорирования, обработка воды хлором совместно с другими бактерицидными препаратами, используют для усиления действия хлора или фиксации его в воде на более длительный срок.

В целях обеспечения здоровья населения во многих странах введены государственные нормативы, ограничивающие содержание ХОС в питьевой воде. В России нормируется 74 показателя, например:

– хлороформ – 0,2 мг/л;

– дихлорбромметан – 0,03 мг/л;

– четыреххлористый углерод – 0,006 мг/л.

В настоящее время предельно допустимые концентрации для веществ, являющихся побочными продуктами хлорирования, установлены в различных развитых странах в пределах от 0,06 до 0,2 мг/л, что соответствует современным научным данным о степени их опасности для здоровья.

Процесс образования ХОС довольно сложен, растянут по времени до нескольких часов и зависит от многих факторов: дозы хлора, концентрации в воде органических веществ, времени контакта, температуры, величины рН воды, щелочности и т. д. Главной причиной образования в воде ХОС является наличие органических гуминовых и фульвокислот, а также водорослевых метаболитов. Для устранения этих примесей впоследствии требуется доочистка воды угольными фильтрами. Наиболее интенсивное образование ХОС происходит при предварительном хлорировании, когда большие дозы хлора подаются в неочищенную воду, содержащую значительное количество органических веществ. В настоящее время существуют два основных метода предупреждения образования ХОС: коррекция схемы хлорирования и отказ от применения хлора как основного метода обеззараживания воды.

При коррекции схемы хлорирования осуществляется перенос места ввода основной части хлора в конец технологической схемы водоподготовки, что позволит отказаться от подачи больших доз хлора в неочищенную воду. При выборе данной схемы важным требованием является удаление органических соединений (предшественников образования ХОС) до ввода хлора. Отказа от предварительного хлорирования и переноса подачи основной дозы хлора в конец очистных сооружений обычно вполне достаточно для решения проблемы, связанной с образованием ХОС. Однако это приводит к значительному снижению эффективности обеззараживания воды и уменьшению значения очистных сооружений в качестве барьера.

Хлорирование воды является надежным средством, предотвращающим распространение эпидемий, так как большинство патогенных бактерий (бациллы брюшного тифа, туберкулеза и дизентерии, вибрионы холеры, вирусы полиомиелита и энцефалита) весьма нестойки в хлоре.

Об исключении хлора на первичном обеззараживании уместно говорить лишь при наличии в воде органических соединений, которые при взаимодействии с хлором (и гипохлоритом) образуют тригалометаны, негативно влияющие на организм человека.

Для хлорирования воды используются такие вещества, как собственно хлор (жидкий или газообразный), гипохлорит натрия, диоксид хлора и другие хлорсодержащие вещества.