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.

 

4.2.1. Хлор

Хлор является самым распространенным веществом, используемым для обеззараживания питьевой воды. Это объясняется его высокой эффективностью, простотой используемого технологического оборудования, дешевизной применяемого реагента – жидкого или газообразного хлора – и относительной простотой обслуживания.

Хлор легко растворяется в воде, после смешения газообразного хлора с водой в водном растворе устанавливается равновесие:

Cl2 + H2O ↔ HClO + HCl.

Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты:

НСlО ↔ Н+ + ОСl—

Наличие хлорноватистой кислоты в водных растворах хлора и получающиеся в результате ее диссоциации анионы ОСl — обладают сильными бактерицидными свойствами. Хлорноватистая кислота почти в 300 раз более активна, чем гипохлорит-ионы ClO —. Объясняется это уникальной способностью HClO проникать в бактерии через их мембраны. Хлорноватистая кислота подвержена разложению на свету:

2HClO → 2O + 2HCl → О2 + 2HCl

с образованием хлористоводородной кислоты и атомарного кислорода в качестве промежуточного вещества, который также является сильнейшим окислителем.

Обработку воды хлором осуществляют с помощью, так называемых, хлораторов, в которых газообразный (испаренный) хлор абсорбируют водой. Полученная хлорированная вода из хлоратора сразу подается к месту ее потребления. Несмотря на то что этот метод обработки воды и является наиболее распространенным, у него тоже есть ряд недостатков. Прежде всего, сложная транспортировка и хранение больших объемов жидкого высокотоксичного хлора. При такой организации процесса неизбежно присутствуют потенциально опасные стадии – прежде всего разгрузка емкостей с жидким хлором и его испарение для перевода в рабочую форму.

Создание рабочих запасов хлора на складах представляет опасность не только для рабочего персонала станции, но и для жителей расположенных рядом домов. Как альтернативный вариант хлорирования в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), этот метод находит применение как на промышленных станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе в частных домах.

 

4.2.2. Диоксид хлора

Диоксид хлора применяют для обеззараживания воды в Европе, США и России. В США в 1944 г. была введена в эксплуатацию одна из первых систем обеззараживания питьевой воды диоксидом хлора – система «Ниагара Фоллз». В Германии используют диоксид хлора с 1959 г. Мировой опыт применения диоксида хлора и многочисленные исследования показали его эффективность при подготовке и дезинфекции питьевых, производственных и сточных вод.

Основные способы получения диоксида хлора

Распространены три основных метода получения диоксида хлора:

– взаимодействие хлорита натрия с соляной кислотой:

5NaClO2 + 4HCl = 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O;

– взаимодействие хлорита натрия с молекулярным хлором, (гипохлоритом натрия, хлорноватистой кислотой). Реакция проводится путем введения газообразного хлора в раствор хлорита натрия в условиях вакуума:

2NaClO2 + Cl2= 2ClO2 + 2NaCl;

– взаимодействие хлората натрия с серной кислотой и перекисью водорода:

2NaClO3 + H2SO4 + 2H2O = 2ClO2 + 2O2 + Na2SO4

Эффективное действие ClО2 обусловлено не только высоким содержанием при реакции высвобождающегося хлора, но и образующимся атомарным кислородом.

В настоящее время есть установки, использующие все эти способы получения диоксида хлора для его дальнейшего применения в процессах обеззараживания питьевой воды. Основным фактором, мешающим широкому распространению использования диоксида хлора, является его повышенная взрывоопасность, осложняющая производство, транспортировку и хранение. Современные технологии устранили этот недостаток за счет производства диоксида хлора непосредственно на месте применения в виде водного раствора безопасной концентрации. Процессы получения и дозирования диоксида хлора в обрабатываемую воду полностью автоматизированы, не требуется присутствия обслуживающего персонала. В связи с этим возможно его применение в установках относительно небольшой производительности.

Применение диоксида хлора для обеззараживания воды обладает рядом преимуществ:

– диоксид хлора не образует тригалометанов при взаимодействии с органическими веществами, при этом способствует снижению концентраций железа и марганца в воде;

– является эффективным окислителем и дезинфектантом для всех видов микроорганизмов, включая цисты (Giardia, Cryptosporidium), споровые формы бактерий и вирусы;

– дезинфицирующее действие практически не зависит от pH воды, в то время как эффективность хлора снижается с отклонением значения pH от pH=7,4;

– дезодорирует воду, разрушает фенолы – источники неприятного вкуса и запаха;

– не образует броматов и броморганических побочных продуктов дезинфекции в присутствии бромидов.

Основным недостатком применения диоксида хлора является образование побочных продуктов – хлоратов и хлоритов, содержание которых в питьевой воде необходимо контролировать. В соответствии с СанПиН, предельно допустимая концентрация хлоритов – 0,2 мг/дм3 с санитарно-токсикологическим лимитирующим показателем, соответствующим третьему классу опасности. Эти нормы ограничивают предельную дозу диоксида при дезинфекции воды.

 

4.2.3. Гипохлорит натрия

В качестве альтернативного варианта в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), причем этот реагент находит применение как на больших станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах.

Водные растворы гипохлорита натрия получают химическим:

Cl2 + 2NaOH = NaClO + NaCl + H2O

или электрохимическим методом по реакции:

NaCl + H2O = NaClO + H2.

Вещество гипохлорит натрия (NaClO) в чистом химическом виде (т. е. без воды) представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагающееся на хлорид натрия (поваренная соль) и кислород:

2NaClO = 2NaCl + O2.

При растворении в воде, гипохлорит натрия диссоциирует на ионы:

Гипохлорит-ион OCl- в воде подвергается гидролизу, образуя хлорноватистую кислоту HOCl:

ОCl- + H2O = HOCl + OH-.

Именно наличие хлорноватистой кислоты в водных растворах гипохлорита натрия объясняет его сильные дезинфицирующие и отбеливающие свойства. Наивысшая бактерицидная способность гипохлорита проявляется в нейтральной среде, когда концентрации HClO и гипохлорит-анионов ClO- приблизительно равны.

Разложение гипохлорита сопровождается образованием ряда активных частиц, в частности, атомарного кислорода, обладающего высоким биоцидным действием. Образующиеся частицы принимают участие в уничтожении микроорганизмов, взаимодействуя с биополимерами в их структуре, способными к окислению. Исследованиями установлено, этот процесс аналогичен тому, который происходит естественным образом во всех высших организмах. Некоторые клетки человека (нейтрофилы, гепатоциты и др.) синтезируют хлорноватистую кислоту и сопутствующие высокоактивные радикалы для борьбы с микроорганизмами и чужеродными субстанциям.

Обеззараживание воды и окисление примесей с использованием гипохлорита натрия, производимого электрохимически, впервые было применено в США в конце 30-х гг. XX в… Гипохлорит натрия обладает рядом ценных свойств. Его водные растворы не имеют взвесей и поэтому не нуждаются в отстаивании в противоположность хлорной извести. Применение гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, поскольку не содержит солей кальция и магния как хлорная известь или гипохлорит кальция.

Бактерицидный эффект раствора NaClO, полученного электролизом, выше, чем у других дезинфектантов, действующее начало которых – активный хлор. Кроме того, раствор обладает еще большим окислительным действием, чем растворы, приготовленные химическим методом, поскольку содержит больше хлорноватистой кислоты (HClO).

Недостатком данного метода является то, что водные растворы гипохлорита натрия неустойчивы и со временем разлагаются даже при комнатной температуре.

Промышленностью нашей страны гипохлорит натрия выпускается в виде водных растворов различной концентрации.

В соответствии с ГОСТ 11086-76 раствор гипохлорита натрия, получаемый по химическому методу, выпускается в виде трех марок. Ниже приведены показатели по составу продуктов.

Гипохлорит натрия в виде раствора (марки А, Б или «Белизна») – это раствор гипохлорита (16–19 % NaOCl) с примесью хлорида и гидроксида натрия (рН 12–14). Оба раствора со временем разлагаются. Скорость разложения зависит от условий их хранения.

Раствор гипохлорита натрия реагент легко дозируется, что позволяет автоматизировать процесс обеззараживания воды.

 

4.2.4. Хлорсодержащие реагенты

Использование для обеззараживания воды хлорсодержащих реагентов (хлорной извести, гипохлоритов натрия и кальция) менее опасно в обслуживании, чем применение хлора и не требует сложных технологических решений. Правда, применяемое при этом реагентное хозяйство более громоздко, что связано с необходимостью хранения больших количеств препаратов (в 3–5 раз больше, чем при использовании хлора). Во столько же раз увеличивается объем перевозок.

При хранении происходит частичное разложение реагентов с уменьшением содержания хлора. В связи с этим необходимо обустраивать систему притяжно-вытяжной вентиляции и соблюдать меры безопасности для обслуживающего персонала. Растворы хлорсодержаших реагентов коррозионно-активны и требуют оборудования и трубопроводов из нержавеющих материалов или с антикоррозийным покрытием, при индивидуальном водоснабжении обычно не используются.

 

4.2.5. Хлорирование для индивидуального водоснабжения

Все большее распространение, особенно на небольших станциях водоподготовки, получают установки по производству активных хлорсодержаших реагентов электрохимическими методами.

В России несколько предприятий предлагают установки типа «Санер», «Санатор», «Хлорэл-200» для производства гипохлорита натрия методом диафрагменного электролиза поваренной соли.

Наиболее просто и часто вопросы хлорирования воды для индивидуального водоснабжения решаются применением гипохлорита натрия, в качестве реагента возможно применение раствора «Белизна».

Многим потребителям не нравится то, что льющаяся из крана вода может иметь запах хлора, однако эта проблема легко решается посредством установки угольного фильтра.

Методы подготовки воды хлорированием требуют точного дозирования реагентов в обрабатываемую воду, поскольку реагенты отличаются высокой химической активностью. Для решения задач хлорирования нужно применять современную цифровую технику, обеспечивающую точное дозирование реагента пропорционально расходу или объему обрабатываемой воды.

На рынке представлено большое разнообразие дозирующих насосов, различающихся производительностью.

 

4.3.1. Йодирование

Йод – химический элемент из группы галогенов, «родственниками» которого являются фтор, хлор и бром, обозначается символом I (от греч. iodes – фиолетовый; лат Iodum), имеет порядковый номер 53, атомный – 126,90, плотность твердого – 4,94 г/см3, температура плавления – 113,5 °С, кипения – 184,35 °С. В природе йод в основном сосредоточен в морской воде (в среднем около 0,05 мг/л). Кроме того, он есть и в морских отложениях. Это позволяет ему переходить в подземные воды, в которых его содержание может достигать более 100 мг/л. Столь высокое содержание йода характерно также для районов нефтяных месторождений. В то же время в поверхностных водах его содержание невелико (концентрация колеблется от 1 до 0,01 мкг/л).

Как показывают исследования, метод йодирования эффективен в отношении бактерий и вирусов и недостаточно эффективен при воздействии на микробные токсины и фенольные соединения. Еще одно ограничение на распространение метода йодирования накладывает появление специфического запаха при растворении йода в воде. Поэтому йодирование воды в целях её обеззараживания не выдерживает конкуренции с традиционным хлорированием, несмотря на то, что йод, в отличие от хлора, имеет такие преимущества, как инертность по отношению к аммиаку и его производным, а также устойчивость к солнечной радиации. Обработка воды йодом для целей обеззараживания не нашла широкого распространения, хотя попытки йодирования водопроводной воды предпринимались неоднократно. В настоящее время обработка воды йодом применяется лишь при малых величинах расхода или в тех случаях, когда используются специальные схемы дезинфекции воды. Так, в ряде случаев йодом дезинфицируют воду в плавательных бассейнах.

Йод относится к числу микроэлементов, функции которых в организме весьма многообразны. Он участвует в синтезе гормонов щитовидной железы, воздействует на метаболические и регенерационные процессы. Недостаточное присутствие йода в организме приводит к негативным последствиям. Впрочем, опасность для здоровья человека несет не только недостаток йода, но и его избыток. Так, повышенное количество йода в организме приводит к изменению структурно-функциональных характеристик щитовидной железы, печени, почек.

Не так давно на рынке появились йодированные напитки и вода, расфасованные по бутылкам. Такой подход, несомненно, оправдан, поскольку только сам потребитель, руководствуясь медицинскими показаниями, может решить, стоит ему пить йодированную воду или нет.

В современной практике для обеззараживания питьевой воды йодированием предлагается использовать специальные иониты, насыщенные йодом. При прохождении через них воды йод постепенно вымывается из ионита, переходя воду. Такое решение возможно только для малогабаритных индивидуальных установок в бытовых системах доочистки воды. В таких системах йодирование воды проводится за счет дополнительной установки в одну из ступеней очистки специального фильтрующего элемента. Существенными недостатками являются изменение концентрации йода в процессе работы, невозможность точного дозирования в проточную воду и отсутствие контроля его концентрации.

На российском рынке представлены установки и картриджи «Гейзер» и «Чистая вода».

 

4.3.2. Бромирование

К химическим методам обеззараживания воды относится также применявшееся в начале XX в. обеззараживание соединениями брома, обладающими более выраженными бактерицидными свойствами, чем хлор, но требующими и более сложной технологии применения.

Бром – химический элемент из группы галогенов, обозначается символом Br (от греч. bromos – зловоние; название связано с неприятным запахом брома; лат. Bromum) имеет порядковый номер 35, атомный вес – 79,90, плотность жидкого – 3,11 г/см3, кипения – 59,2 °С.

Бром воздействует на микроорганизмы, убивает вирусы, бактерии, грибки, способствует удалению из воды органических примесей, эффективен в борьбе с водорослями. Соединения, основой которых является бром, устойчивы к солнечной радиации.

Однако несмотря на все свои преимущества, метод бромирования воды является очень дорогостоящим, поэтому он не получил широкого распространения при очистке питьевой воды и применяется в основном для обеззараживания воды в небольших бассейнах и СПА.

 

4.4.1. История озонирования

В 1840 г. немецкий ученый Шейнбейн, исследуя процессы разложения воды на водород и кислород при помощи электрической дуги, получил новый газ с резким специфическим запахом, который был им назван озоном. Затем были исследования других ученых по изучению свойств и применения озона. Изобретатель Н. Тесла запатентовал первый генератор озона в 1896 г.

Впервые процессы озонирования для очистки воды реализованы во Франции, где уже в 1907 г. был построен первый завод по озонированию воды в г. Бон Вуаяж (Франция) для нужд г. Ниццы, а в 1916 г. действовало 26 озонаторных установок (всего в Европе – 49).

В советское время озонирование было реализовано на Восточной водопроводной станции в Москве, станция была оснащена озонаторами французской компании «Трейли-газ».

 

4.4.2. Получение озона

Озон (O3) – газ голубоватого или бледно-фиолетового цвета, самопроизвольно распадающийся на воздухе и в водном растворе, превращаясь в обычный кислород (О2). Скорость распада озона резко увеличивается в щелочной среде и с ростом температуры. Доза озона зависит от назначения озонированной воды. Если речь идет об обеззараживании воды, предварительно прошедшей фильтрование и осветление, дозу озона принимают равной 1–3 мг/л, для подземной воды – 0,75–1 мг/л. При введении озона для обесцвечивания и обеззараживания загрязненной воды его необходимое количество может доходить до 5 г/л. Продолжительность контакта обеззараживаемой воды с озоном – 8–12 мин.

Озон образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и т. п.

Наиболее экономичный промышленный метод получения озона – воздействие на воздух или кислород электрическим разрядом 5000–25 000 В. Генератор озона состоит из двух установленных на небольшом расстоянии друг от друга пластинчатых или трубчатых (расположение концентрическое) электродов.

Сжижается O3 легче, чем O2, и потому их несложно разделить. Озон для озонотерапии в медицине получают только из чистого кислорода. При облучении воздуха жёстким ультрафиолетовым излучением образуется озон. Те же процессы протекают в верхних слоях атмосферы, где под действием солнечного излучения образуется и поддерживается озоновый слой.

В лаборатории озон можно получить взаимодействием охлажденной концентрированной серной кислоты с пероксидом бария:

3H2SO4 + 3BaO2 = 3BaSO4 + O3 + 3H2O.

 

4.4.3. Обеззараживающее действие озона

При повышенном бактериальном загрязнении водоисточника или при наличии в нем патогенных микроорганизмов, энтеровирусов и цист лямблий, устойчивых к действию традиционного хлорирования, озон особенно эффективен. Механизм действия озона на бактерии полностью пока еще не выяснен, однако это не мешает его широкому использованию.

Озон гораздо более сильный окислитель, чем хлор (при применяемых дозах того и другого реагента).

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. Это подтверждается сравнением их окислительных потенциалов: у хлора Cl2 – 1,35 В, у озона О3 – 1,95 В.

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.

Для уничтожения бактерий полиомиелита (штамм Le и Mv) необходимо подвергать воду воздействию хлором в течение 1,5–3 ч при дозе окислителя 0,5–1 мг/л. В то же время озон разрушает эти бактерии за 2 мин при концентрации его в воде 0,05–0,45 мг/л.

Следует отметить такое важное свойство озона, как противовирусное воздействие. Энтеровирусы, в частности, выводящиеся из организма человека, поступают в сточные воды и, следовательно, часто могут попадать в воды поверхностных источников, 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 устранить все микробные загрязнения.

По сравнению с применением хлора, повышающем токсичность очищенной воды, определенной по гидробионтам, применение озона способствует снижению токсичности.

 

4.4.4. Аппаратурное оформление

Поскольку озон весьма токсичный газ (ПДК в воздухе зоны – 0,0001 г/м3), схемы процессов озонирования воды предусматривают его полное использование и деструкцию. В состав озонаторного оборудования обычно входит и специальный дегазатор (деструктор) озона. Все установки озонирования смонтированы из коррозионностойких материалов, оборудованы запорной и сигнальной арматурой, оснащены автоматическими системами запуска (таймеры, реле давления, электромагнитные клапаны и т. д.) и защиты.

Метод озонирования воды технически сложен и наиболее дорогостоящ среди других методов обеззараживания питьевой воды. Технологический процесс включает последовательные стадии очистки воздуха, его охлаждения и осушки, синтеза озона, смешения озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой, отвода и деструкции остаточной озоновоздушной смеси, вывода ее в атмосферу. Все это ограничивает использование данного метода в повседневной жизни.

На российском рынке бытовые озонаторы представлены моделями: «АкваМама», «Экотроника», «Озон Люкс» (RUIQI, состоит из озонатора и угольно фильтра) и др.

Озонаторные установки представлены оборудованием: станции озонирования воды серии CD-OWSG, серии СОВ-М, серии ПВО-TOG и ПВО-ZF, «Озон-ПВ» и др. Установки отличаются конструктивным исполнением и производительностью.

 

4.4.5. Особенности озонирования

С гигиенической точки зрения, озонирование – один из лучших способов обеззараживания питьевой воды. При высокой степени обеззараживания оно обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде.

Озон уничтожает известные микроорганизмы в 300–3000 раз быстрее, чем любые другие дезинфекторы. Озонирование не изменяет кислотность воды и не удаляет из неё необходимые человеку вещества. Остаточный озон быстро превращается в кислород (O2) и обогащает им воду.

При озонировании не успевают возникнуть побочные вредные продукты реакции, по крайней мере, в заметных количествах.

Принципиальная технологическая схема озонирования воды: 1 – резервуар исходной воды; 2 – насос; 3 – массообменные аппараты; 4 – резервуар очищенной воды; 5 – генераторы озона; 6 – блок подготовки и сушки воздуха; 7 – деструктор озона (дегазатор).

Существуют некоторые недостатки применения озонирования, накладывающие соответствующие ограничения на его применение:

1. Метод озонирования технически сложен, требует больших расходов электроэнергии и использования сложной аппаратуры, для которой необходимо высококвалифицированное обслуживание.

2. Пролонгированное действие озона значительно меньше чем у хлора, благодаря его быстрому разрушению, поэтому повторное заражение воды при озонировании более вероятно, чем при хлорировании.

3. Озонирование может вызвать (особенно у высокоцветных вод и вод с большим количеством «органики») образование дополнительных осадков, поэтому нужно предусматривать после озонирования фильтрование воды через активный уголь. В результате озонирования образуются побочные продукты, включающие: альдегиды, кетоны, органические кислоты, броматы (в присутствии бромидов), пероксиды и другие соединения.

При воздействии на гуминовые кислоты, где есть ароматические соединения фенольного типа, может появиться и фенол.

Озон может вырабатываться только на месте потребления, поскольку его хранение и транспортировка невозможны. Для выработки озона нужен свободный газообразный кислород.

 

Серебро – химический элемент, относится к благородным металлам, обозачается символом Ag (от лат. Silver – светлый, белый, англ. Argentum, франц. Argent, нем. Silber). Имеет порядковый номер 47, атомный вес – 107,8, валентность – I. II, плотность – 10,5 г/см3, температура плавления – 960,5 °С, кипения – 2210 °С.

Несмотря на то, что серебряные руды разбросаны по всему миру (Австралия, Перу, Япония, Канада), основным поставщиком серебра является Мексика. Серебро – хороший проводник тепловой энергии.

 

5.1.1. История

Серебро известно человечеству с древнейших времён, в своё время его добывали в виде самородков, т. е. не приходилось выплавлять из руд, и многие народы считали его священным металлом, например в Ассирии и Вавилоне. В Европе по количеству серебра судили о состоянии королей. В средние века серебро и его соединения были очень популярны среди алхимиков. Позднее из серебра изготавливают посуду, чеканят монеты, делают ювелирные украшения, сейчас применяют при изготовлении электрических контактов и печатных схем, источников питания.

Бактерицидное действие серебра также известно с древнейших времен. В древних индусских трактатах встречается описание об обряде кратковременного погружения в емкость с водой раскаленного серебра.

Основоположником научного изучения механизма действия серебра на микробную клетку является швейцарский ученый Карл Негель, который в 80-е гг. XIX в. установил, что взаимодействие ионов серебра (а не самого металла) с клетками микроорганизмов вызывает их гибель. Это явление он назвал олигодинамией (от греч. «олигос» – малый, следовой и «динамос» – действие, т. е. действие следов). Немецкий ученый Винцент, сравнивая активность некоторых металлов, установил, что наиболее сильным бактерицидным действием обладает серебро, меньшим – медь и золото. Так, дифтерийная палочка погибала на серебряной пластинке через три дня, на медной – через шесть дней, на золотой – через восемь.

 

5.1.2. Описание метода

Большой вклад в изучение антимикробных свойств «серебряной» воды, ее применения для обеззараживания питьевой воды и пищевых продуктов внес академик Л. А. Кульский. Его экспериментами, а позднее и работами других исследователей доказано, что именно ионы металлов и их диссоциированные соединения (вещества, способные в воде распадаться на ионы) вызывают гибель микроорганизмов. Доказано, что чем выше концентрация ионов серебра, тем больше его активность и бактерицидный эффект.

Научно доказано, что серебро в ионном виде обладает бактерицидным, противовирусным, выраженным противогрибковым и антисептическим действием и служит высокоэффективным обеззараживающим средством в отношении патогенных микроорганизмов, вызывающих острые инфекции. Эффект уничтожения бактерий препаратами серебра очень велик. Он в 1750 раз сильнее действия концентрированной карболовой кислоты и в 3,5 раза сильнее действия сулемы. По данным академика Академии наук УССР Л. А. Кульского, действие «серебряной» воды (при одинаковых концентрациях) значительнее действия хлора, хлорной извести, гипохлорида натрия и других сильных окислителей. По научным данным, всего 1 мг/л. серебра в течение 30 мин вызывал полную инактивацию вирусов гриппа А, В, Митре и Сендай. Уже при концентрации 0,1 мг/л серебро обладает выраженным фунгицидным действием.

«Серебряная» вода обладает бактерицидными свойствами при достаточно высоких концентрациях серебра, но при низких концентрациях серебро оказывает только бактериостатическое действия.

Однако, выбирая серебро в качестве обеззараживающего вещества, обязательно нужно помнить, что серебро – тяжелый металл. Как и другие тяжелые металлы, серебро способно накапливаться в организме и вызывать заболевания (аргироз – отравление серебром). В соответствии с СанПиН 2.1.4.1074-01 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества» допускается содержание в воде серебра не более 0,05 мг/л и СанПин 2.1.4.1116 – 02 «Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды, расфасованной в емкости. Контроль качества» – не более 0,025 мг/л.

Многие потребители по старинке сутками настаивают воду в доморощенных серебряных водных фильтрах, в емкостях с монетами, ложечками и украшениями, и действительно «серебряная» вода может храниться годами. Но что кроется за таким способом очистки воды от микроорганизмов?

«Серебряная» вода обладает бактерицидными свойствами, при достаточно высоких концентрациях серебра, около 0,015 мг/л. При низких концентрациях (10-4… 10-6 мг/л.), серебро оказывает только бактериостатическое действия, т. е. останавливает рост бактерий, но не убивает их. Спорообразующие разновидности микроорганизмов к серебру практически нечувствительны. Поэтому настаивание воды по старинке в доморощенных серебряных водных фильтрах, в емкостях с монетами, ложечками и украшениями не является гарантированным способом её обеззараживания.

Изложенные выше факты, таким образом, несколько ограничивают применение серебра. Оно может быть уместно только в целях сохранения исходно чистой воды для длительного хранения (например, на космических кораблях, в походах или при розливе бутилированной питьевой воды). Серебрение картриджей на основе активированного угля используют в бытовых фильтрах. Это делается с целью предотвращения обрастания фильтров микроорганизмами, так как отфильтрованные органические вещества являются хорошей питательной средой для многих бактерий.

 

5.1.3. Механизм воздействия

Сегодня существуют многочисленные теории, объясняющие механизм действия серебра на микроорганизмы. Наиболее распространенная – адсорбционная теория, в соответствии с которой клетка теряет жизнеспособность в результате взаимодействия электростатических сил, возникающих между клетками бактерий, имеющих отрицательный заряд, и положительно заряженными ионами серебра при адсорбции последних бактериальной клеткой.

Вораз и Тоферн (1957 г.) объясняли антимикробное действие серебра выведением из строя ферментов, содержащих SH- и СООН- группы, а K. Тонли, H. Вилсон – нарушением осмотического равновесия.

По другим теориям, происходит образование комплексов нуклеиновых кислот с тяжелыми металлами, вследствие чего нарушается стабильность ДНК и, соответственно, жизнеспособность бактерий.

Существует противоположное мнение, что серебро не оказывает прямого воздействия на ДНК клеток, а влияет косвенно, увеличивая количество внутриклеточных свободных радикалов, которые снижают концентрацию внутриклеточных активных соединений кислорода. Также допускают, что одной из причин широкого противомикробного действия ионов серебра является ингибирование трансмембранного транспорта Nа+ и Cа++.

На основании данных механизм действия серебра на микробную клетку следующий: ионы серебра сорбируются клеточной оболочкой, которая выполняет защитную функцию. Клетка еще остается жизнеспособной, но при этом нарушаются некоторые ее функции – например, деление (бактериостатический эффект). Как только серебро адсорбировалось на поверхности микробной клетки, оно проникает внутрь её, угнетает ферменты дыхательной цепи, а также разобщает процессы окисления в микробных клетках, в результате чего клетка гибнет.

Коллоидное серебро – продукт, состоящий из микроскопических частиц серебра, взвешенных в деминерализованной и деионизированной воде. Коллоидное серебро, которое получают электролитическим методом, естественный антибиотик, разрешенный к применению в США Федеральной комиссией по питанию и медикаментам еще в 1920 г. Эффективность бактерицидного действия коллоидного серебра объясняется его способностью подавлять работу фермента, с помощью которого обеспечивается кислородный обмен чужеродных простейших микроорганизмов, поэтому они и погибают из-за нарушения снабжения кислородом, необходимого для их жизнедеятельности.

 

5.1.4. Аппаратурное оформление

Приготовить «серебряную» воду в домашних условиях возможно, но не эффективно. Можно настаивать воду в серебряном сосуде, погрузить в емкость с водой серебряные предметы, украшения и т. п… В настоящее время «серебряную» воду производят в электрических приборах – ионаторах. Принцип действия ионатора серебра основан на электролитическом методе. Конструктивно прибор состоит из электролизера с серебряными электродами (серебро Ср 99,99) и блока питания, подключаемого к сети постоянного тока. При пропускании постоянного тока через погруженные в воду серебряные (или серебряно-медные) электроды серебряный электрод (анод), растворяясь, насыщает воду ионами серебра. Концентрация полученного раствора при заданной силе тока зависит от времени работы источника тока и объема обрабатываемой воды. Если грамотно подобрать ионатор, то остаточное содержание растворённого в воде серебра не превысит предельной дозы 10-4…10-5 мг/л (при этом в контактном слое серебрения воды концентрации могут достигать значения 0,015 мг/л), что позволяет осуществлять одновременно бактерицидную и бактериостатическую обработку воды. В табл. 4 приведены условия получения «серебряной» воды на примере ионатора «ЛК-41» (источник питания ионатора – элекотросеть переменного тока напряжением 220 В, ток нагрузки, мА 0±20 %, масса серебра, переводимого ионатором в водный раствор за 1 минуту, мг 0,4±20 %, температура обрабатываемой воды от 1 до 40 °С).

Таблица 4

Готовые растворы серебра необходимо хранить в темном месте или в непрозрачной закрытой посуде, так как на свету ионы серебра восстанавливаются до металла, раствор темнеет, а серебро – выпадает в осадок.

Начало выпуска ионаторов в России относится к далекому 1939 г, когда началось серийное производство стационарных ионаторов, переносных и дорожных серий ЛК. Производство продолжается и сейчас.

Сейчас на российском рынке представлены ионаторы разных производителей и конструктивного исполнения, с электронным управление и самые простые автономные карманные: «Невотон ИС», «Пингвин», «Сильва», «Дельфин», «ЛК», «Акватай» и др.

При работе ионатора на серебряных пластинах выделяется распыленное серебро черного цвета, которое на качество приготавливаемого раствора не влияет. В растворе серебра после отключения ионатора процесс уничтожения бактерий происходит не сразу, а в течение времени, указанного в графе время выдержки.

 

5.1.5. Применение активных углей и катионитов, насыщенных серебром

В настоящее время активированный уголь используется во многих процессах очистки воды, пищевой промышленности, в процессах химических технологий. Основное назначение угля – это адсорбции органических соединений. Именно отфильтрованные органические вещества являются идеальной питательной средой для размножения бактерий при остановке движения воды. Нанесение серебра на активированный уголь препятствует росту бактерий внутри фильтра благодаря бактерицидным свойствам этого металла. Технология нанесения серебра на поверхность угля уникальна тем, что серебро не смывается с поверхности угля в процессе фильтрования. В зависимости от производителя, вида исходного сырья, марки угля на поверхность наносят 0,06–0,12 % массовых серебра.

На российском рынке представлены активированные угли с нанесенным серебром производителей: С-100 Ag или С-150 Ag фирмы Purolite; AGС производится на базе активированного угля 207С компанией Chemviron Carbon; российские производители предлагают УАИ-1, изготавливаемый из древесного активного угля БАУ-А; угли марки КАУСОРБ-213 Ag и КАУСОРБ-222 Ag получены из активных углей марок КАУСОРБ-212 и КАУСОРБ-221 и т. д.

Серебросодержащие катиониты предназначены для умягчения и обеззараживания воды в установках небольшой производительности. В качестве примеров можно привезти смолу отечественного производства КУ-23СМ и КУ-23СП, С100Е Аg – смола фирмы «Пьюролайт».

Несмотря на достаточно высокую эффективность олигодинамии в целом, нельзя говорить об абсолютной универсальности этого способа. Дело в том, что целый ряд вредных микроорганизмов оказывается вне зоны его действия – многие грибы, бактерии (сапрофитные, спорообразующие). Тем не менее пропущенная через такой фильтр, вода обычно долго сохраняет свои бактерицидные свойства и чистоту.

 

Медь – химический элемент, обозначается символом Сu. Название элемента происходит от названия острова Кипр (лат. Cuprum), на котором изначально добывали медь. Имеет порядковый номер 29, атомный вес – 63,546, валентность – I, II, плотность – 8,92 г/см3, температура плавления – 1083,4 °С, кипения – 2567 °С.

Медь – мягкий, ковкий металл красного цвета, обладает высокой тепло– и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра).

Медь встречается в природе как в различных соединениях, так и в самородном виде. Существуют различные сплавы меди, самые известные из них латунь – сплав с цинком, бронза – сплав с оловом, мельхиор – сплав с никелем и др., как присадка медь присутствует в баббитах.

Медь широко распространена в электротехнике (из-за ее низкого удельного сопротивления) для изготовления силовых кабелей, проводов или других проводников, например, при печатном монтаже. Ее широко применяют в различных теплообменниках, к которым относятся радиаторы охлаждения, кондиционирования и отопления из-за очень важного свойства меди – высокой теплопроводности.

Некоторые соединения меди могут быть токсичны при превышении предельно допустимых концентраций в пище и воде. Содержание меди в питьевой воде также регламентируется СанПиН 2.1.4.1074-01 и не должно превышать 2 мг/л. Лимитирующий признак вредности вещества, по которому установлен норматив, – санитарно-токсикологический.

Уровень меди в питьевой воде обычно достаточно низкий и составляет несколько микрограмм на литр. Ионы меди придают воде отчётливый «металлический вкус». Порог чувствительности органолептического определения меди в воде составляет приблизительно 2–10 мг/л.

 

5.2.1. История

Об антибактериальных свойствах меди известно очень давно. В древней Руси для медицинских целей применяли, так называемую, «колокольную» воду. Получали её во время литья колоколов, когда еще раскаленную отливку остужали в емкостях, наполненных водой. Колокола отливали из бронзы – сплава меди и олова, а для улучшения их звучания в этот сплав добавляли серебро. За время остывания вода обогащалась ионами меди, олова и серебра.

Совместное действие ионов меди и серебра превосходит силу «серебряной» воды, даже если в последней концентрация ионов серебра в несколько раз выше. Важно понимать, что даже «колокольная» вода, если ее применять бесконтрольно, может нанести большой вред организму.

Медь и ее сплавы иногда применяют для местного обеззараживания воды, чаще для обеззараживания в бытовых и походных условиях, обогащая воду ионами меди.

Издревле было также замечено, что вода, хранящаяся или перевозимая в медных сосудах, была, более высокого качества и долго не портилась, в отличие от воды, содержащейся или перевозимой в сосудах из других материалов (в такой воде не происходило видимого образования слизи).

Существует огромное количество исследовательских работ, подтверждающих бактерицидные свойства меди.

 

5.2.2. Механизм воздействия

Исследования по выяснению механизма антибактериального действия меди проводили еще в давние времена. Например, в 1973 г. ученые из лаборатории «Колумбус Баттел» провели всесторонний научный и патентный поиск, в котором собрали всю историю исследования бактериостатических и дезинфицирующих свойств меди и поверхностей медных сплавов за период 1892–1973 гг.

Было сделано открытие, а в дальнейшем подтверждено, что поверхности медных сплавов обладают особым свойством – уничтожать широкий спектр микроорганизмов.

Последние 10 лет интенсивно проводились исследования по воздействию меди на возбудителей внутрибольничных инфекций: кишечной палочки, метициллин-устойчивой формы золотистого стафилококка (MRSA), вируса гриппа А, аденовируса, патогенных грибков и пр. Исследования, проводимые в Америке, показали, что поверхность медного сплава (зависит от марки сплава) способна убить кишечную палочку через 1–4 ч контакта, при этом популяции кишечной палочки погибают на 99,9 %, в то время как, например, на поверхности из нержавеющей стали микробы могут выживать в течение недели.

Латунь, из которой часто делают дверные ручки и нажимные пластины, тоже обладает бактерицидным эффектом, но для этого требуется более продолжительное время экспозиции, чем для чистой меди.

В 2008 г. после длительных исследований Федеральное агентство по охране окружающей среды США (US ЕРА) официально присвоило меди и её нескольким сплавам статус материала, обладающего бактерицидной поверхностью.

 

5.2.3. Аппаратурное оформление

Медь и ее сплавы иногда применяют для местного обеззараживания воды (если нет других, более подходящих способов и реактивов, дающих гарантированный обеззараживающий эффект). Чаще ее применяют для обеззараживания воды в бытовых и походных условиях, обогащая воду ионами меди.

На рынке представлено несколько типов ионаторов – устройств, использующих принцип гальванической пары и электрофореза. В качестве второго электрода, обеспечивающего разность потенциалов, используется золото. При этом золото тонким слоем наносится на специальную подложку электрода, полностью делать электрод из одного золота не имеет смысла, поэтому внутренняя часть электрода изготавливается из сплава меди и серебра в определенном соотношении, как правило, сплав 17/1. Конструктивно это может быть простая пластина из медно-серебряного сплава (17/1) с вкраплениями золота, или более сложный прибор проточного типа с микроконтроллерным устройством управления.