Главная/ Каталог/ Установки "Аквахлор"/



Проблемы обеззараживания воды

Дезинфекция питьевой воды: проблемы и решения.

Бахир В.М., д.т.н., профессор ОАО «НПО ЭКРАН» МЗ РФ

    Основные критерии качества питьевой воды, сформулированные в середине двадцатого века, состоят в следующем: питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом отношении, безвредна по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими свойствами. В настоящее время эти критерии приняты во всем мире. На их основе в различных странах создаются нормативные документы в области качества питьевой воды, в т.ч. в России - СанПиН 2.1.4.1074-01. Эти же критерии положены в основу Руководства по контролю качества питьевой воды, изданного Всемирной организацией здравоохранения в 1984 и 1994 гг. [1, 2].

   При оценке степени риска здоровью в зависимости от природы нежелательных примесей в воде, наиболее важную роль играют микробиологические загрязнения. Так, исследования доктора Роберта Тардиффа [3, 4] (США) показали, что опасность заболеваний от микробиологических загрязнений воды во много тысяч раз выше (до 100 000 раз), чем при загрязнении воды химическими соединениями различной природы.

   Эта оценка нагляднее всего проявляется в существующей практике дезинфекции питьевой воды в большинстве развитых стран. На-пример, в США 98,6% питьевой воды подвергается хлорированию. Озонирование составляет только 0,37%, остальные методы - 0,75% [5]. Причина состоит в том, что хлорирование - наиболее экономичный и эффективный метод обеззараживания питьевой воды в сравнении с любыми другими известными методами. Хлорирование обеспечивает микробиологичекую безопасность воды в любой точке распределительной сети в любой момент времени благодаря эффекту последействия. Все остальные методы обеззараживания воды, не исключая озонирование и ультрафиолет, не обеспечивают обеззараживающего последействия и, следовательно, требуют хлорирования на одной из стадий водоподготовки. Это правило не является исключением и для России, где все имеющиеся системы озонирования питьевой воды муниципальных водораспределительных сетей работают совместно с оборудованием для хлорирования.

   Одним из недостатков хлорирования воды является образование побочных продуктов – галогенсодержащих соединений (ГСС), боль-шую часть которых составляют тригалометаны (ТГМ): хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан и бромоформ. Образование тригало-метанов обусловлено взаимодействием соединений активного хлора с органическими веществами природного происхождения. Процесс образования тригалометанов растянут во времени до нескольких десятков часов, а их количество при прочих равных условиях тем больше, чем выше рН воды. Поэтому применение гипохлорита натрия или кальция для дезинфекции воды вместо молекулярного хлора не снижает, а значительно увеличивает вероятность образования тригалометанов. Наиболее рациональным методом уменьшения побочных продуктов хлорирования является снижение концентрации органических веществ – предшественников тригалометанов на стадиях очистки воды до хлорирования.
   В настоящее время предельно допустимые концентрации для веществ, являющихся побочными продуктами хлорирования, установле-ны в различных развитых странах в пределах от 0,06 до 0,2 мг/л и соответствуют современным научным представлениям о степени их опас-ности для здоровья. Научная дискуссия о способности этих веществ вызывать рак и проявлять мутагенную активность, длившаяся в США в течение многих лет, завершилась признанием их безопасности в указанном выше диапазоне концентраций [6-12]. Однако, безусловно, уменьшение концентрации побочных продуктов хлорирования, точно так же, как и побочных продуктов озонирования, представляющих гораздо большую опасность (см. таблицу 1), чем побочные продукты хлорирования, является одной из основных причин поиска новых технологий и средств обеззараживания питьевой воды.

Таблица 1

Приведены сведения о достоинствах и недостатках известных основных и альтернативных методов и технологий обезза-раживания воды.

Наименование и характери-стика дезин-фектанта Достоинства Недостатки
Основные дезинфектанты
Хлор Применяется в газообразном виде, требует соблюдения строжайших мер безопасно-сти
  • Эффективный окислитель и дезинфектант
  • Эффективен для удаления неприятного вкуса и запахов
  • Обладает последействием
  • Предотвращает рост водо-рослей и биообрастаний
  • Разрушает органические со-единения (фенолы)
  • Окисляет железо и магний
  • Разрушает сульфид водорода, цианиды, аммиак и другие со-единения азота
  • Повышенные требования к перевозке и хранению
  • Потенциальный риск здоровью в случае утечки
  • Образование побочных продуктов дезин-фекции - тригалометанов (ТГМ).
  • Образует броматы и броморганические побочные продукты дезинфекции в при-сутствии бромидов
Гипохлорит натрия Применяется в жидком виде (товарная кон-центрация рас-творов - 10 -12%), возмож-но получение на месте при-менения элек-трохимическим способом.
  • Эффективен против боль-шинства болезнетворных мик-роорганизмов
  • Относительно безопасен при хранении и использовании
  • При получении на месте не требует транспортировки и хранения опасных химикатов.
  • Неэффективен против цист (Giardia, Cryptosporidium)
  • Теряет активность при длительном хранении,
  • Потенциальная опасность выделения газообразного хлора при хранении
  • Образует побочные продукты дизинфекции, включая тригалометаны, в том числе бромоформ и броматы в присутствии бромидов
  • При получении на месте требует либо немедленного использования, либо, для обеспечения возможности хранения, специальных мер по очистке исходной воды и соли от ионов тяжелых металлов;
  • При хранении растворов NaClO с концентрацией активного хлора более 450 мг/л и рН более 9 происходит накопление хлоратов
Диоксид хлора Получают только на месте применения. В настоящее время считает-ся самым эф-фективным де-зинфектантом из хлорсодер-жащих реаген-тов для обра-ботки воды при повышен-ных рН.
  • Работает при пониженных дозах
  • Не образует хлораминов
  • Не способствует образова-нию тригалометанов
  • Разрушает фенолы - источ-ник неприятного вкуса и запа-ха
  • Эффективный окислитель и дезинфектант для всех видов микроорганизмов, включая цисты (Giardia, Cryptosporidium) и вирусов
  • Не образует броматов и бро-морганических побочных про-дуктов дезинфекции в присут-ствии бромидов
  • Способствует удалению из воды железа и магния путем их быстрого окисления и оса-ждения оксидов
  • Обязательно получение на месте применения
  • Требует перевозки и хранения легковоспламеняющихся исходных веществ
  • Образует хлораты и хлориты
  • В сочетании с некоторыми материалами и веществами приводит к проявлению специфического запаха и вкуса
Хлорамин Образуется при взаимодейст-вии аммиака с соединениями активного хло-ра, использует-ся как дезин-фектант про-лонгированно-го действия
  • Обладает устойчивым и дол-говременным последействием
  • Способствует удалению не-приятного вкуса и запаха
  • Снижает уровень образова-ния тригалометанов и других хлорорганических побочных продуктов дезинфекции
  • Предотвращает образование биообрастаний в системах распределения
  • Слабый дезинфектант и окислитель по сравнению с хлором
  • Неэффективен против вирусов и цист (Giardia, Cryptosporidium)
  • Для дезинфекции требуются высокие до-зировки и пролонгированное время кон-такта
  • Представляет опасность для больных, пользующихся диализаторами, т.к. спосо-бен проникать сквозь мембрану диализа-тора и поражать эритроциты
  • Образует азотсодержащие побочные про-дукты
Альтернативные дезинфектанты
Озон Используется на протяжении нескольких де-сятков лет в некоторых ев-ропейских странах для де-зинфекции, удаления цвета, улучшения вкуса и устра-нения запаха
  • Сильный дезинфектант и окислитель
  • Очень эффективен против вирусов
  • Наиболее эффективен против Giardia, Cryptosporidium, а также любой другой патоген-ной микрофлоры
  • Способствует удалению мут-ности из воды
  • Удаляет посторонние прив-кусы и запахи
  • Не образует хлорсодержащих тригалометанов
  • Образует побочные продукты, включаю-щие: альдегиды, кетоны, органические ки-слоты, бромсодержащие тригалометаны (включая бромоформ), броматы (в присут-ствии бромидов), пероксиды, бромуксус-ную кислоту
  • Необходимость использования биологи-чески активных фильтров для удаления образующихся побочных продуктов
  • Не обеспечивает остаточного дезинфици-рующего действия требует высоких начальных затрат на оборудование
  • Значительные затраты на обучение опе-раторов и обслуживание установок
  • Озон, реагируя со сложными органиче-скими соединениями, расщепляет их на фрагменты, являющиеся питательной сре-дой для микроорганизмов в системах рас-пределения воды
Ультрафиолет Процесс за-ключается в облучении во-ды ультрафио-летом, способ-ным убивать различные ти-пы микроорга-низмов.
  • Не требует хранения и транс-портировки химикатов
  • Не образует побочных про-дуктов
  • Эффективен против цист (Giardia, Cryptosporidium)
  • Нет остаточного действия
  • Требует больших затрат на оборудование и техническое обслуживание
  • Требует высоких операционных (энерге-тических) затрат
  • Дезинфицирующая активность зависит от мутности воды, ее жесткости (образования отложений на поверхности лампы), осаж-дения органических загрязнений на по-верхности лампы, а также колебаний в электрической сети, влияющих на измене-ние длины волны.
  • Отсутствует возможность оперативного контроля эффективности обеззараживания воды

Анализ этих данных позволяет увидеть, что среди известных методов нет идеального, точно так же, как не существует рецепта «идеальной» питьевой воды при всей важности влияния ее состава на здоровье человека. Очевидно, что состав и свойства питьевой воды определяются географическими, геологическими, климатическими, гидрологическими условиями и региональными различиями в степени и характере хо-зяйственного освоения территории. Поэтому регламентация качества питьевой воды в развитых странах основана на достовер¬ных, научно обоснованных нормативах ее микробиологического (приоритетный показатель) и химического состава с позиций безопасности и безвредно-сти для человека и определяет порядок контроля качества подаваемой населению воды, наиболее полно учитывающий региональные условия формирования и состав воды источника, а также применяемые методы водоподготовки и доставки воды потребителям.

Для современных технологий дезинфекции воды наиболее важной задачей является поиск метода, объединяющего лучшие качества известных дезинфектантов (таблица 1) и устраняющего их отрицательные качества.

К таким методам относится технология дезинфекции воды раствором оксидантов, вырабатываемым в установках АКВАХЛОР [13, 14].

В установках типа АКВАХЛОР впервые решены вопросы рационального сочетания положительных свойств известных оксидантов – хлора, диоксида хлора и озона и устранены отрицательные моменты, присущие каждому из названных реагентов в отдельности, т.е., исклю-чено образование побочных продуктов хлорирования и озонирования. Установки АКВАХЛОР являются альтернативным и безопасным в эксплуатации источником хлора и могут использоваться в качестве замены баллонов и контейнеров с жидким хлором на станциях очистки воды хозяйственно-питьевого водоснабжения любой производительности, на сооружениях очистки бытовых и промышленных сточных вод, в системах очистки воды плавательных бассейнов.

Принцип работы установок АКВАХЛОР состоит в электрохимическом синтезе влажной газообразной смеси оксидантов - хлора, диоксида хлора и озона из водного раствора хлорида натрия концентрацией 200 – 250 г/л под давлением в диафрагменных модульных электрохимических элементах ПЭМ-7, каждый из которых является отдельной ячейкой электрохимического реактора.Блок-схема установки АКВАХЛОР приведена на рис. 1.

картинкаРис. 1. Блок-схема установки АКВАХЛОР

В анодные камеры электрохимического реактора установки дозированно под давлением подается исходный раствор хлорида натрия. Благо-даря особенностям конструкции элементов ПЭМ-7, при перепаде давления на диафрагме от 0,5 до 1,0 кгс/см2 осуществляется электродиффузионный отбор ионов натрия и воды через керамическую диафрагму, в результате чего происходит полное разделение раствора хлорида натрия на газообразные продукты, удаляемые из анодной камеры и раствор гидроксида натрия концентрацией 120 – 150 г/л, образующийся в катодной камере. Полученные в анодной камере газообразные оксиданты вместе с микрокапельками воды, содержа-щими гидропероксидные оксиданты – синглетный кислород, пероксид и супероксид водорода, поступают в эжекторый смеситель установки, где растворяются в обрабатываемой воде в пределах от 0,5 до 2,0 г/л (в среднем около 1 грамма оксидантов на 1 литр воды). В катодных камерах электрохимических элементов ПЭМ-7, кроме раствора гидроксида натрия, образуется водород из расчета 1,4 г на 100 г газообразных оксидантов. Для получения 1 килограмма оксидантов в установках АКВАХЛОР расходуется не более 1,7 – 2,0 кг сухого хлорида натрия и около 2 кВт-ч электроэнергии.

В электрохимическом реакторе установок АКВАХЛОР основной является реакция выделения молекулярного хлора и образования гидроксида натрия: NaCl + H2O – e → NaOH + 0,5 H2 + 0,5 Cl2 Одновременно с меньшим выходом по току протекают реакции синтеза диоксида хлора непосредственно из солевого раствора, а также из соляной кислоты, которая образуется при растворении молекулярного хлора в прианодной среде (Cl2 + H2O ↔ HClO + HCl):

2NaCl + 6H2O — 10e → 2ClO2 + 2NaOH + 5 H2;
HCl + 2H2O  5e → ClO2 → 5 H+;.

Кроме того, в анодной камере происходит образование озона за счет прямого разложения воды и за счет окисления выделяющегося кислоро-да: 3H2O  6e → O3  6H; 2H2O  4e → 4H  O2; ⇒ O2 + Н2О  2e → O3  2 Н. С очень небольшим выходом по току протекают реакции образования соединений активного кислорода: H2O  2e → 2H  O•; Н2О  е → HO•  Н ; 2H2O  3e → HO2  3H. В отличие от традиционных технологий получения хлора – ртутного, диафрагменного электролиза и электролиза с ионообменной мембраной, технология получения газообразной смеси оксидантов в установке АКВАХЛОР не требует подкисления исходного раствора хлорида натрия, не нуждается в дополнительном расходовании воды и химических реагентов, позволяет осуществить разделение хлоридного раствора на необходимые продукты за один цикл обработки в электрохимическом реакторе, т.е. является принципиально новой.

Основным целевым конечным продуктом установок АКВАХЛОР является водный 0,1%-ный раствор смеси оксидантов (хлора, диок-сида хлора, озона), предназначенный для обеззараживания воды хозяйственно-питьевого назначения, промышленных и бытовых сточных вод и воды плавательных бассейнов.

Водный раствор оксидантов представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с рН = 2,5 ± 0,5, с запахом хлора. Газообразная смесь оксидантов, синтезируемая в установке АКВАХЛОР, состоит из молекулярного хлора (90 – 95%), диоксида хлора (3 – 7 %) и неболь-шого количества озона (0,5 – 3,0 %). Также в газообразной смеси оксидантов содержится 0,5 – 1,5 % чрезвычайно активного оксиданта - синглетного кислорода и микрокапельки влаги с гидропероксидными и хлоркислородными оксидантами – продуктами электрохимических реакций в анодной камере, работающей при повышенном давлении в условиях ионселективного электродиффузионного отбора ионов натрия из исходного раствора хлорида натрия через керамическую диафрагму электрохимических модульных элементов.

Соответственно, основными действующими антимикробными веществами в растворе оксидантов являются хлорноватистая кислота, которая образуется в процессе взаимодействия хлора с водой при его растворении, а также растворенный хлор и диоксид хлора. Эти вещества составляют более 98 % всех содержащихся в растворе оксидантов при их общей концентрации равной 1 г/л. Достоинства и недостатки раствора оксидантов, вырабатываемого установками АКВАХЛОР, показаны в таблице 2.

Производительность установки АКВАХЛОР регулируется изменением силы тока. Предусмотрена возможность мгновенной остановки процесса и мгновенного его запуска.

Установки АКВАХЛОР имеют сертификат соответствия РФ, а производимый ими раствор оксидантов – санитарно-эпидемиологическое заключение Госсанэпиднадзора РФ. Применение раствора оксидантов, вырабатываемого установками АКВАХЛОР, в целях дезинфекции воды хозяйственно-питьевого водоснабжения, бытовых и промышленных сточных вод и воды плавательных бассейнов, регламентировано Инструкцией, утвержденной Госсанэпиднадзором РФ. Установки АКВАХЛОР производятся серийно в двух основных модификациях: АКВАХЛОР-100 и АКВАХЛОР-500 производительностью 100 и 500 граммов оксидантов в час соответственно (ТУ 3614-702-05834388-02, ОКП 36 1469). Блок электрохимических реакторов установки АКВАХЛОР-500 выполнен в виде модуля, что позволяет достигать любой необходимой производительности по оксидантам путем объединения указанных модулей в единую гидравлическую систему.
Производительность установок АКВАХЛОР-100 и АКВАХЛОР-500 по раствору оксидантов составляет соответственно 100 и 500 литров в час. Безопасная эксплуатация установок АКВАХЛОР и отсутствие риска отравления обслуживающего персонала и окружающей среды неконтролируемым выбросом хлора гарантированы малым объемом газообразных оксидантов (менее 200 мл), которые под небольшим давлением (около 1 кгс/см2) во время работы установки протекают по трубопроводу внутри установки через регулятор давления газа и поступают в эжекторный смеситель, где растворяются в небольшом объеме обрабатываемой воды, превращаясь таким образом в аналог хлорной воды.

Таким образом, по сумме имеющихся сравнительных данных технология хлорирования с применением установок АКВАХЛОР имеет очевидные преимущества по критериям охраны и гигиены труда, экологической безопасности и экономичности данного метода обеззаражи-вания воды и минимизации суммы сопряженных рисков.

Раствор оксидантов, полученный в установках АКВАХЛОР, смешивают с дезинфицируемой водой в пропорции, обеспечивающей начальный заданный уровень содержания оксидантов в соответствии с технологией обработки воды свободным (газообразным или жидким) хлором. При этом гидропероксидные соединения, озон и диоксид хлора вступают в реакции взаимодействия с веществами, содержащимися в воде, и распадаются в течение первых 5 – 10 минут. Основным дезинфицирующим веществом в воде, обеспечивающим последействие раствора оксидантов, является хлорноватистая кислота (HClO), наличие которой гарантирует обеззараживание воды в полном соответствии с известными технологическими процессами применения жидкого или газообразного хлора. Наличие в растворе оксидантов озона и гидропероксидных соединений обеспечивает отсутствие побочных продуктов хлорирования и озонирования, что подтверждено целым рядом экспериментальных исследований в процессе практической эксплуатации установок АКВАХЛОР на станциях водоподготовки питьевой воды, а также на станциях очистки сточных вод.

Раствор гидроксида натрия (каустической соды) целесообразно использовать для приготовления растворов коагулянтов, а также в ка-честве эффективного моющего средства (необходимо разбавление).

Концентрацию оксидантов в растворе, вырабатываемом установками АКВАХЛОР следует определять с помощью стандартных мето-дов, применяемых в технологии хлорирования воды. Количество вырабатываемых установками АКВАХЛОР оксидантов также возможно определять расчетным путем, исходя из прямой зависимости между эффективной силой тока, протекающего через электрохимические реакторы установки АКВАХЛОР и количеством обра-зующихся оксидантов.

Установки АКВАХЛОР рекомендуется устанавливать и эксплуатировать в стандартном помещении хлораторной или в любом другом проветриваемом помещении. Их габаритные размеры в эквиваленте производительности по хлору сопоставимы с размерами, занимаемыми емкостями для хранения жидкого хлора. Образующийся при получении раствора оксидантов водород отводится по отдельному трубопроводу за пределы помещения для рассеивания в атмосфере.

Таблица 2

Характеристика нового альтернативного дезинфектанта воды – раствора оксидантов из установки АКВАХЛОР

Наименование и ха-рактеристика дезин-фектанта Достоинства Недостатки
Раствор оксидантов из установки АКВАХЛОР Электрохимический синтез из раствора хлорида натрия влажной газообраз-ной смеси оксидан-тов – хлора, диокси-да хлора, озона, гид-ропероксидных со-единений
  • Работает при пониженных дозах
  • Не образует хлораминов
  • Не способствует образованию тригаломета-нов
  • Разрушает фенолы - источник неприятного вкуса и запаха
  • Эффективный окислитель и дезинфектант для всех видов микроорганизмов, включая цисты (Giardia, Cryptosporidium) и вирусов
  • Не образует броматов и броморганических побочных продуктов дезинфекции в присутствии бромидов
  • Способствует удалению из воды железа и магния путем их быстрого окисления и осаж-дения оксидов
  • Способствует удалению мутности из воды
  • Удаляет посторонние привкусы и запахи
  • Не требует транспортировки и хранения опасных химикатов
  • Требует наличия электроэнергии, на-порной линии подачи воды
  • Требует небольшого расхода соляной ки-слоты для очистки электродов при ис-пользовании соли низ-кого качества (с боль-шим содержанием ио-нов кальция, магния и железа), либо системы химического, напри-мер, бикарбонатом на-трия, умягчения ис-ходного раствора хло-рида натрия

Обеззараживание воды хозяйственно-питьевого назначения раствором оксидантов, вырабатываемым установками АКВАХЛОР, осу-ществляется в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01. При необходимости борьбы с биологическими обрастаниями в водопроводной сети места введения и дозы хлора согласовываются с санитарно-эпидемиологическими службами. На этапе подконтрольной эксплуатации конкретных систем подачи воды потребителю отрабатывается доза хлора, подаваемая в распределительную систему и гарантирующая конечный технологический эффект: обеззараживание воды до нормы в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01.