6.3.6. Дезінфекція води

Знезараження води або її дезінфекція полягає у руйнуванні мікроорганізмів. Переважно застосовують методи окиснення мікроорганізмів описаними вище сильними окисниками. Є ще інший спосіб знезаражування – дія на воду ультрафіолетового випромінювання. Для очищення поверхневих вод майже завжди застосовують як окисник „активний хлор”. „Активний хлор” – це різні форми сполук хлору, що проявляють окисні властивості, здатні витискати йод з розчину йодиду. Іншим застосовуваним окисником є озон. Для знезаражування підземних вод можна використовувати бактерицидні установки ультрафіолетового випромінювання. Іноді для знезаражування невеличких порцій води застосовують калій перманганат, гідроген пероксид. Надійним способом знищення мікробів є кип'ятіння води.

Знезаражування проводять після очищення води іншими методами, переважно механічним відстоюванням, коагуляцією, тоді діють невеликою кількістю окисника. Окисник подається у воду перед резервуаром очищеної іншими методами води, у якому відбувається окиснення протягом певного часу. Якщо діють окисником перед очисними спорудами (окиснення і мікроорганізмів, і решти органічних речовин), то застосовують його більшу кількість. Добрі результати дає двоступенева обробка, коли частина окисника подається до, а частина – після очисних споруд.

Лише з початку ХХ століття в практику було запроваджено хімічне „знезаражування„ води сполуками хлору з окисними властивостями. Досліди з використання для хлорування кальцій гіпохлориту Ca(ClO)₂ вперше були виконані в 1896 р. Дж. Фуллером у штаті Кентуккі (США). У наступному році успішно було застосовано NaClO, який додавали у систему водопостачання в Мейдстоні (Англія), щоб зупинити епідемію черевного тифу. Систематично почали застосовувати цей спосіб знезаражування в 1902 р. у Міддлкерке (Бельгія), а двома роками пізніше у Лондоні.

У США більшість муніципальних джерел води піддають хлоруванню, однак замінюють Ca(ClO)₂ та NaClO на Cl₂. Останній більш ефективний для знищення бактерій, його легше зберігати у великих кількостях та простіше дозувати. Кальцій гіпохлорит залишається важливим засобом дезінфекції у військовий час або після стихійних лих. Хлорування запобігло епідеміям та смертності в багатьох випадках у цілому світі.

Хлорування води. Як окисник використовують вільний хлор, гіпохлорити, хлорити, хлор діоксид, хлорне вапно. Утворені у воді хлораміни NH₂С1 і NHCl₂ також мають окисні властивості. Усі ці сполуки хлору з окисними властивостями називають „активним хлором”. „Активний хлор” використовують для знезараження води, а не для очищення від органічних речовин, бо окиснення органічних речовин проходить не настільки глибоко, крім того можуть утворитися проміжні токсичні речовини, які мають неприємний запах. „Активним хлором” можна лише доочищувати воду. Крім того самі препарати хлору є токсичними і вимагають обережності при застосуванні.

Хлор та гіпохлорит. Якщо у воду ввести хлор, розчинність якого становить 9,65 г/л при 10С, то він вступає в оборотну реакцію з водою:

Cl₂ + H₂O  HCl + HClО.

У сильнокислому середовищі переважає вільний Cl₂, у слабокислому (рН=5) – HClО, а в лужному (рН=10-11) – гіпохлорит ClО^-. З цих форм найсильнішим окисником є гіпохлоритна кислота (Е⁰=1,5 В), яка однак легко розкладається при нагріванні на світлі, потім хлор (Е⁰=1,359 В) і гіпохлорит (Е⁰=0,906 В). Таким чином бактерицидність „активного хлору” більша при малих значеннях рН, тому воду хлорують перед її підлужненням.

За наявності у воді аміаку утворюються хлораміни:

Cl₂ + NH₃ NH₂Cl + HCl,

Cl₂ + NH₂Cl NHCl₂ + HCl,

Cl₂ + NHCl₂ NCl₃ + HCl.

Різні хлораміни існують лише в кислому середовищі. У нейтральному та слаболужному середовищі, рН 5-9, реакція йде лише з утворенням монохлорамінів.

Необхідну дозу хлору визначають на основі експериментально побудованої кривої хлороємності води. Оптимальною вважається та доза, яка при заданому часі контакту забезпечує у воді необхідну концентрацію залишкового хлору. Для господарсько-питних вод це 0,3-0,5 мг/л вільного Cl₂ при контакті протягом 30 хв або 0,8-1,2 мг/л при контакті протягом 60 хв. Приймають, що доза хлору для знезаражування поверхневих вод є 2-3 мг/л, підземних – 0,7-1,0 мг/л.

Процес хлорування води відбувається у хлораторах. Готують хлорну воду у змішувачі. Хлор розчиняють в малій кількості води, одержану хлорну воду перемішують з усією водою. Вмиканням у схему регулювання аналізатора залишкового хлору можна автоматично підтримувати задану концентрацію хлору в очищеній воді в умовах зміни властивостей води, що надходить. У хлораторних установках є дозатори хлору з необхідною арматурою і трубопроводами. Хлораторні (хлородозаторні) приміщення можуть знаходитися в основному корпусі станції очищення води, а можуть в окремому приміщенні хлорного господарства. Хлораторне приміщення повинно бути відділене від інших приміщень глухою стіною. На малих станціях і водоочисних спорудах часто доцільно відмовитися від використання рідкого хлору і застосовувати тверді порошкоподібні речовини – хлорне вапно і кальцію гіпохлорит. Ці речовини менш небезпечні, ніж рідкий хлор. Товарний продукт СаСl₂O (СаClClO) чи Са(С1O)₂ розчиняють в баку з механічним перемішуванням, потім розчин розводять. Одержану суміш вводять у воду. З огляду на корозійну активність розчину, баки варто виготовляти з дерева, пластмаси або залізобетону.

Електроліз натрій хлориду. Можна хлорувати воду натрій гіпохлоритом, одержаним при електролізі розчину NaCl. Це доцільно на невеликих водоочисних станціях.

А(+): 2Сl – 2 Cl₂,

К(–): 2H₂O +2  H₂ +2OH^-.

Біля катода утворюється NаОН, який з хлором дає NаСlО:

Сl₂+2NaOН  NaС1O+NaC1 + H₂O.

Процес електролізу проводять при низькій температурі і великій густині струму на аноді без перемішування електроліту у ванні.

Хлорування води прямим електролізом. Для електролітичного одержання бактерицидного хлору можна використовувати хлоридні іони, наявні в самій природній воді. Таке знезараження застосовують до соляних вод з достатнім вмістом NaCl. Відбувається електроліз водного розчину NaCl. Установка для очищення складається з вертикального електролізера, приєднаного до трубопроводу, по якому вода подається знизу вверх. Основною проблемою під час електролізу є утворення карбонатної плівки на поверхні електродів, що значно знижує термін стабільної безупинної роботи установки. Плівку періодично видаляють розчином НС1.

Хлор діоксид ClO₂ – зеленкуватого кольору газ з різким запахом, більш інтенсивним, як у Cl₂. Він добре розчиняється у воді і є достатньо стійким у водному розчині. Лише в лужному середовищі хлор діоксид перетворюється на хлорит та хлорат (NaClO₂, NaClO₃). Це сильний окисник (Е⁰=1,5 В). Хлорування води здійснюють порошкоподібними реагентами, які перетворюються у ClO₂.

Хлор діоксид одержують безпосередньо на станції хлоруванням з хлору та натрій хлориту NaС1O₂ за реакцією:

2NaClO₂ + Cl₂ 2С1O₂+2NаС1.

Замість хлору можна використовувати озон або HCl:

2NаС1O₂ + O₃ + Н₂O  2С1O₂ + 2NаОН+O₂,

5NaС1O₂+4НС1  4С1O₂ + 5NаСl+ 2Н₂O.

У порівнянні з хлором хлор діоксид має певні переваги: проявляє вищу бактерицидність в лужному середовищі; він більш активно окиснює органічні речовини, зокрема феноли, не надаючи при цьому воді запаху; наявність у воді аміаку не знижує ефективності ClO₂.

Суттєві недоліки хлор діоксиду пов’язані з утворенням у процесі окиснення іонів хлориту, який віднесений до третього класу небезпеки.

Хлоруванням вдається легко вбити бактерії, але не завжди віруси. Так в Нью-Делі у 1956 р., незважаючи на хлорування води і відсутності випадків бактеріальних захворювань людей (черевного тифу, холери), спостерігалась великомасштабна епідемія гепатиту.

Невелика кількість випадків захворювань, пов’язаних із споживанням води, спостерігається навіть у найбільш розвинених країнах світу. Так у питній воді м. Мілуокі (США) було виявлено маловідомі паразити людини Criptosporidium i Giardia lamblia, які під час хлорування не завжди знищуються і викликають хворобу лямбліоз, причому інкубаційний період може тривати 1-3 місяці.

Перехлорування води – це хлорування підвищеними дозами „активного хлору” перед очисними спорудами. Метод застосовується в умовах, коли мікробіологічні властивості води швидко змінюються, при високій кольоровості природної води, великому вмісті у ній органічних речовин та планктону. Перехлорування використовують у системах технічного водопостачання як засіб проти утворення біологічної плівки, його доцільно застосовувати в системах господарсько-питного водопостачання, якщо вода містить багато органічних речовин (хлороформ, канцерогенні речовини).

Для забезпечення необхідного вмісту у воді залишкового хлору після перехлорування воду необхідно дехлорувати. З цією метою застосовують фізичні і хімічні методи. При фізичних методах надлишок „активного хлору” видаляють сорбентами, пропускаючи воду через вугільні фільтри, або аерацією води. При хімічному дехлоруванні надлишковий активний хлор зв'язують із натрій сульфітом або сульфур діоксидом:

ClO^- + SO₃^2-  Cl^- + SO₄^2-.

Хлораміни в порівнянні з хлором органолептично менше помітні, при наявності у воді фенолів вони не дають хлорфенольних запахів. З цією метою іноді доцільно проводити хлорування води з амонізацією, тобто додати у воду додатково до сполук „активного хлору” аміак. Одержані хлораміни теж ефективно окиснюють органічні речовини.

Хлорування води приводить у 90% до окиснення органічних речовин, однак у 6-10% до небажаної зміни органічних речовин. Це хоч і найпоширеніший способів очищення води, однак має низку недоліків у випадку підготовки води до пиття. Внаслідок взаємодії хлору з органічними речовинами утворюються токсичні сполуки, такі як хлороформ, карбон тетрахлорид, перхлоретилен, а якщо вода містить фенол, то хлорфеноли, діоксини, хлорпохідні ацетатної кислоти. Деякі з цих речовин мають канцерогенну та мутагенну дію, спричиняють захворювання печінки, нирок, серцево-судинної системи. Хлорфеноли, поліхлоровані біфеніли та 3-хлор-4-дихлорметил-5-гідрокси-2(5Н)-фуранон є особливо токсичними. Крім того утворюються хлоровані гумінові речовин. Хлорфеноли, хлороформ, карбон тетрахлорид, 1,1- та 1,2-дихлоретан, трихлоретилен, дихлорметан, тетрахлоретилен входять в число пріоритетних забруднювачів води (загалом список, прийнятий державами Європи у 1982 р, налічує 132 речовини). Вміст хлороформу у питній воді не повинен перевищувати 60 мкг/л, діоксинів – 0,035 мкг/л. Однак на даний час відмовитись від хлорування води не можна, бо це грозить епідемічним поширенням черевного тифу, гепатиту, поліомієліту.

В Україні 90 % питної води одержують з поверхневих вод, які мають високий вміст органічних речовин (75% населення споживає воду з басейну Дніпра). Лише 10 млн населення користується відносно якісною водою, зокрема мешканці Полтави, Чернігова, Львова, Тернополя, Івано-Франківська та частково Києва, оскільки споживають підземні води. Загальний вміст карбону органічних речовин з Дніпрової води сягає 15-35 мг/л, тоді як у більшості європейських річок – 5-10 мг/л. Тому необхідно зосередити увагу на видаленні з питної води органічних речовин, як природного, так і антропогенного походження.

Альтернативними до хлорування способами знезараження води є:

• озонування води;

• дія Н₂О₂; дія речовин, які генерують радикал супероксиду О₂;

• гідрокавітація;

• дія на воду ультрафіолетового випромінювання;

• застосування біоцидних полімерних реагентів;

• застосування культур імобілізованих зелених водоростей.

Переважна більшість альтернативних методів знезаражування є дорогими і недостатньо вивченими. Тому про повну безпечність нових методів дезінфекції води на сьогодні говорити зарано.

Озонування води. Озон сильніший окисник, ніж різноманітні форми „активного хлору”, він ефективно руйнує бактерії та віруси. На відміну від хлорування, при озонуванні не утворюються хлоровані вуглеводні. Крім того озон добре знебарвлює воду, не залишає у воді присмаку та запаху, сприяє видаленню з води феруму і маргану. Ним вдається зруйнувати сполуки, які не піддаються окисненню хлором, наприклад феноли. Деякі органічні речовини озон руйнує не до кінця.

Більше як 1000 водопровідних станцій в Європі, особливо у Франції, Німеччині, Швейцарії, застосовують озонування як один із етапів очищення води. В Росії (Москва, Нижній Новгород, Володимир, Таганрог, Рязань, Кемерово, Ярославль), Білорусі (Мінськ), в Україні (Київ, Одеська область) теж застосовують озонування води. У той же час на більшості водоочисних споруд США використовують хлорування.

Необхідний для знезараження озон одержують при електричному розряді (5-29 кВ) та атмосферному тиску в генераторах озону – озонаторах. На практиці застосовують озонатори двох типів: з пластинчастими електродами та циліндричні з трубчастими електродами. Озонатори повинні бути обладнані системою водяного охолодження. Вихід озону залежить від температури повітря, оскільки з підвищенням температури збільшується розпад О₃, повітря повинне бути холодним, чистим і сухим. Переважно вихід озону становить 10-20%.

Озонування води полягає у змішуванні в контактній колоні води, яка подається зверху вниз, та озону, який подається знизу вверх. На станціях очищення води озон подають у воду перед основними очисними спорудами. Знезаражування води виконують або лише хлором, або воду хлорують після знезаражування озоном для утворення у ній необхідної залишкової кількості хлору.

Вибір схеми і режиму озонування є дуже важливим для досягнення належного ефекту очищення води. Помилки можуть бути допущені, якщо не врахувати, що у процесі руху води у водоймі її склад та фізико-хімічні властивості змінюються. Якщо доза озону перевищена, то можливе утворення побічних продуктів окиснення, які можуть бути токсичніші за первинні забруднювачі. Внаслідок озонування може погіршитися ефективність видалення забруднювачів коагуляцією і навіть підвищитися концентрація деяких речовин, зокрема фенолів. Озонування як єдина стадія очищення води переважно не є надто ефективною, у кожному окремому випадку слід проводити передпроектні технологічні дослідження, щоб обґрунтувати доцільність застосування О₃ та його дозу.

Більш ефективним є комбінування озонування з сорбційним очищення води на активованому вугіллі.

Головна вада озону – короткочасність його дії на воду. Через це озонована вода, протікаючи по трубопроводах, поступово тратить бактерицидність, і навіть інтенсивність бактеріальної життєдіяльності може підвищитися. Крім того озон має сильні корозійні властивості і може спричинити руйнування металевих конструкцій і труб. Тому на сьогоднішній день виключно озонування на очисних станціях не отримало широкого впровадження. Для безпечної в санітарно-гігієнічному відношенні роботи водопровідних мереж повинне проводитись остаточне знезаражування води окисниками хлору. Друга пересторога у використанні озонування полягає в тому, що до цього часу не ідентифіковані всі продукти окиснення озоном, але виявлені токсичні альдегіди (формальдегід), феноли, як результат неповного окиснення ароматичних сполук у воді, пероксидні сполуки. Ще одним недоліком озонування є деструкція органічних сполук з утворенням речовин, які легко засвоюються мікроорганізмами. Це створює умови для повторного бактеріального забруднення води у водопровідній мережі.

Дія ультрафіолетового випромінювання. Знезаражування води проводять у бактерицидних установках. Джерелом ультрафіолетового випромінювання є ртутно-аргонова або ртутно-кварцова лампа. Ультрафіолетові промені довжиною хвиль 220-280 нм руйнують бактерії, причому максимум бактерицидної дії відповідає довжині хвилі 260 нм. Ця обставина використовується в бактерицидних установках, призначених для знезаражування в основному підземних вод. Ультрафіолетове випромінювання діє миттєво, тому спеціальні контактні басейни не потрібні. У той же час випромінювання не надає воді залишкових бактерицидних властивостей, а також запаху або присмаків. Бактерицидна установка не потребує використання реагентів, компактна, її роботу можна легко автоматизувати.

Однак знезаражування УФ-випромінюванням можна здійснювати лише за умови незначного забарвлення та відсутності у воді колоїдних і завислих частинок, які поглинають це випромінювання.

Часто використовують комбінацію трьох дезінфекторів – О₃, Н₂О₂, УФ-випромінювання. У такій композиції утворюються радикали гідроксилу, які мають високу реакційну здатність, причому сумісне використання О₃ і дії УФ-випромінювання більш ефективне, ніж роздільне. Так вдається знешкодити у воді важкоокиснювані забруднювачі, такі як ціанід, високомолекулярні органічні сполуки, органічні барвники.

Дезодорація води. Появу у воді присмаків і запахів викликають як неорганічні (гідрогенсульфід, хлор, сполуки феруму), так і органічні, розчинені і колоїдно-дисперговані речовини. Вибір методу дезодорації води залежить від природи запахів і присмаків. Якщо причиною є неорганічні речовини в розчині, то проблему вирішують демінералізацією, коагуляцією (видалення заліза у формі Fe(OH)₃), дегазацією води. Важливим є видалення з води органічних речовин, серед яких можуть бути токсичні сполуки.

На даний час знаходять застосування в основному методи окиснення і сорбції, причому добрі результати дає їхнє комбінування (окисно-сорбційний метод).

З окисників широко використовують хлор і реагенти, що містять хлор, озон, калій перманганат. Так хлор руйнує і дезодорує сульфіди і меркаптани, причому залежно від кількості хлору процес проходить по-різному:

2CH₃–SH + Cl₂ (CH₃)₂S₂ + 2 HCl,

CH₃–SH + 3Cl₂ + 2H₂O  CH₃–SO₂–Cl + 5HCl.

Деякі сульфуровмісні сполуки окиснюються до сульфатів.

Орієнтовно дозу окисника можна визначити виходячи з перманганатної окиснюваності води. Але є і такі речовини (фосфорорганічні пестициди), неповне окиснення яких може призвести до посилення запахів і присмаків і утворення більш токсичних сполук.

Озон та калій перманганат не надають воді додаткових запахів і присмаків. У випадку застосування КМnO₄ необхідно брати до уваги високу ціну і дефіцитність реагенту. Крім того, потрібна висока точність дозування, щоб виключити небезпеку залишкового мангану (не більше як 0,1 мг/л).

Застосування сорбентів для видалення з води розчинених органічних речовин і токсичних сполук є кращим методом. Перевага методу полягає в тому, що під час сорбції речовини не руйнуються.