Микробиологические загрязнения воды занимают первое место по степени риска для здоровья человека. Сегодня доказано, что опасность заболеваний от присутствующих в воде болезнетворных микроорганизмов в тысячи раз выше, чем при загрязнении воды химическими соединениями различной природы. Поэтому обязательным условием получения воды питьевого качества является ее обеззараживание до пределов, отвечающих установленным гигиеническим нормативам.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили такие способы дезинфекции воды, как хлорирование, озонирование и обработка УФ-излучением. Электроплазменная технология и обеззараживание с использованием сорбционных материалов, модифицированных наноагрегатами серебра, в силу объективных причин широкого применения не нашли.

 

Обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением

Ультрафиолетовым называется электромагнитное излучение в пределах длин волн от 100 до 400 нм. Для обеззараживания используется «ближняя область»: 200–400 нм (длина волн природного ультрафиолетового излучения у поверхности земли больше 290 нм). Наибольшим бактерицидным действием обладает электромагнитное излучение на длине волны 200–315 нм и максимальным проявлением в области 260±10 нм. В современных УФ-устройствах применяют излучение с длиной волны 253,7 нм.

Метод УФ-дезинфекции известен с 1910 г., когда были построены первые станции для обработки артезианской воды во Франции и Германии. Бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей объясняется происходящими под их воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекулы ДНК и РНК, составляющими универсальную информационную основу механизма воспроизводимости живых организмов. Результат этих реакций – необратимые повреждения ДНК и РНК. Кроме того, действие ультрафиолетового излучения вызывает нарушения в структуре мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Все это в конечном итоге приводит к их гибели.

УФ-стерилизатор представляет собой металлический корпус, внутри которого находится бактерицидная лампа. Она, в свою очередь, помещается в защитную кварцевую трубку. Вода омывает кварцевую трубку, обрабатывается ультрафиолетом и, соответственно, обеззараживается. В одной установке может быть несколько ламп. Мощности излучения современных конструкций ламп достаточно, чтобы в течение 3–5 с бактерицидное действие было максимальным: эффективность уничтожения бактерий и вирусов – 99,9 %

Основной параметр, определяющий эффективность работы установки, – доза УФ-излучения – D, мДж/см2. В мировой практике требования к минимальной дозе облучения варьируются в пределах от 16 до 40 мДж/см2. Минимальная доза, соответствующая российским нормативам, – 16 мДж/ см2. Из-за различной сопротивляемости микроорганизмов доза ультрафиолета, необходимая для инактивации, например 99,9 %, сильно варьируется от малых доз для бактерий до очень больших доз для спор и простейших.

Доза определяется интенсивностью потока лучистой энергии, временем нахождения потока в зоне облучения (обычно 1–3 с) и прозрачностью обрабатываемой воды. Дело в том, что прозрачность воды влияет на количество поглощенной световой энергии, которая не расходуется на обеззараживание, и зависит также от толщины водного слоя. Поэтому реальные величины дозы облучения пропорциональны коэффициенту пропускания ультрафиолетовых лучей. Для воды из подземного источника он составляет 0,95–0,80, для воды из реки – 0,85–0,70, а для сточной воды – 0,40–0,60. При прохождении через воду УФ-излучение ослабевает из-за эффектов поглощения и рассеяния. Такое ослабление зависит от мутности и качества воды, особенно от содержания в ней железа, марганца, а также учитывается при расчете необходимой интенсивности излучения введением специального коэффициента.

Как правило, чтобы обеззараживание воды проходило эффективно, она должна удовлетворять следующим требованиям: прозрачность – не ниже 85 %; количество взвешенных частиц – не более 1 мг/л; жесткость – менее 7 ммоль/л; общее содержание железа – не более 0,3 мг/л; марганца – не более 0,1 мг/л; содержание сероводорода – не более 0,05 мг/л; твердых взвешенных частиц – менее 10 мг/л; мутность – не более 2 мг/л по каолину; цветность – не более 35 градусов; число бактерий группы кишечной палочки – не более 10 000 в 1 л. Все эти ограничения позволяют использовать УФ-установку стерилизации воды только как последнюю ступень очистки воды. В профессиональных УФ-установках очистка воды внутренней поверхности камеры от минеральных и органических загрязнений производится промывкой слабым раствором пищевой кислоты (щавелевая, лимонная). В некоторых установках для очистки защитных кварцевых чехлов применяется механическое очистное устройство плунжерного типа с ручным или электрическим приводом.

Важнейшим качеством ультрафиолетовой обработки воды является отсутствие изменения ее физических и химических характеристик даже при дозах, намного превышающих практически необходимые. Однако и этот способ имеет определенные недостатки. Подобно озонированию, УФ-обработка не обеспечивает пролонгированного действия, что делает проблематичным ее применение в случаях, когда временной интервал между воздействием на воду и ее потреблением достаточно велик. Этот способ энергозатратен, требует строжайшего соблюдения технологии, постоянной борьбы с биообрастанием источников излучения и жесткого контроля над прозрачностью воды (рассеивание лучей снижает эффективность обработки воды).

 

Другие методы обеззараживания

 

Хлорирование

Практически самым распространенным и проверенным способом дезинфекции воды является хлорирование.

Процесс хлорирования и недефицитность и дешевизна хлора обуславливают самое широкое распространение именно этого метода обеззараживания воды, к тому же технологически он является наиболее простым.

В настоящее время хлорированием обеззараживается 98,6 % воды.

Хлорирование позволяет не только очистить воду от нежелательных органических и биологических примесей, но и полностью удалить растворенные соли марганца и железа.

Другое важнейшее преимущество этого способа – способность обеспечить микробиологическую безопасность воды при ее транспортировании пользователю благодаря эффекту последействия.

Только метод хлорирования обеспечивает консервацию воды в дозах 0,3–0,5 мг/л, то есть обладает необходимым пролонгированным действием.

Существенным недостатком хлорирования является присутствие в обработанной воде свободного хлора, который ухудшает ее органолептические свойства (запах, цвет, прозрачность, вкус и т. д.) и является причиной образования побочных галогенсодержащих соединений (ГСС).

В качестве дезинфектантов применяют газообразный хлор (Cl2), гипохлорит натрия (NaClO), диоксид хлора (ClО2), хлорамин и другие соединения.

 

Озонирование

Преимущество озона (О3) перед другими дезинфектантами заключается в присущих ему дезинфицирующих и окислительных свойствах, обусловленных выделением при контакте с органическими объектами активного атомарного кислорода. Впервые процессы озонирования для очистки питьевой воды были реализованы во Франции, где уже в 1916 г. действовало 26 озонаторных установок. Всего в Европе – 49. Первоначально озон использовался только для дезинфекции воды. Сейчас озонирование все чаще находит применение для одновременного обеззараживания воды, обесцвечивания, окисления железа и марганца, устранения привкуса и запаха.

Механизм действия озона на бактерии полностью пока еще не выяснен, однако это не мешает его широкому использованию.

По быстродействию озон эффективнее хлора: обеззараживание происходит быстрее в 15–20 раз. На споровые формы бактерий озон действует разрушающе в 300–600 раз сильнее хлора. Отсутствие в воде химических веществ, быстро реагирующих с озоном, позволяет провести эффективное разрушение E.coli при концентрации растворенного озона 0,01–0,04 мг/л. Следует отметить такое важное свойство озона, как противовирусоидное воздействие. Энтеровирусы, в частности, выводящиеся из организма человека, поступают в сточные воды и, следовательно, могут попадать в воды поверхностных водоисточников, используемых для питьевого водоснабжения.

Результатом многочисленных исследований установлено: остаточный озон в количестве 0,4–1,0 мг/л, сохраняемый в течение 4–6 мин, обеспечивает уничтожение болезнетворных вирусов, и в большинстве случае такого воздействия вполне достаточно, чтобы снять все микробиальные загрязнения.

По сравнению с применением хлора, озон не изменяет природные свойства воды, так как его избыток (непрореагировавший озон) через несколько минут превращается в кислород. С гигиенической точки зрения, озонирование – один из лучших способов обеззараживания питьевой воды. При высокой степени обеззараживания он обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде. Однако необходимо учитывать некоторые особенности озонирования. Прежде всего, нужно помнить о быстром разрушении озона, то есть отсутствии такого длительного действия, как у хлора. Метод озонирования технически сложен, требует больших расходов электроэнергии и использования сложной аппаратуры, которой необходимо высококвалифицированное обслуживание.