Химические методы.

Химические методы обеззараживания воды основаны на применении различных соединений, обладающих бактерицидным действием. Эти вещества должны отвечать определенным требованиям, а именно: не делать воду вредным для здоровья; не изменять ее органолептических свойств; оказывать надежное бактерицидное действие (в малых концентрациях и в течение короткого времени контакта); быть удобными в применении и безопасными в обращении, стойкими при длительном хранении; производство их должно быть дешевым и доступным.

Существующая практика обеззараживания питьевой воды показывает негативные стороны данного метода, проявляющиеся в токсическом действии как самих обеззараживающих реагентов, так и побочных продуктов реакции, дающих канцерогенный, мутагенный и ряд других неблагоприятных эффектов.

Следует заметить, что до сих пор веществ, полностью удовлетворяющих перечисленным выше требованиям, найти не удалось. В большой степени им отвечают хлор и его препараты, чем и можно объяснить их широкое распространение в практике коммунального водоснабжения.

Наряду с хлором и его препаратами применяются или применялись и другие вещества, например, озон, йод, перекись водорода, препараты серебра, органические и неорганические кислоты и т. д.

Хлорирование и озонирование получили широкое распространение на очистных сооружениях водопроводов, в то время как остальные методы нашли применение при обеззараживании небольших объемов воды на автономных объектах, в полевых и экстремальных условиях водоснабжения.

Обеззараживание хлором.

Наиболее часто для хлорирования воды на водопроводах ис­пользуют газообразный хлор, однако применяют и другие хлорсодержащие реагенты. В порядке возрастания окислительно-вос­становительного потенциала они располагаются в следующем по­рядке: хлорамины (RNHC1₂ и RNH₂C1), гипохлориты кальция и натрия [Са(ОС1)₂] и NaOCl хлорная известь (ЗсаОС1 • СаО • 5Н₂О), газообразный хлор, двуокись хлора ClO₂. В последние годы внедряется электрохимический способ обеззараживания природных вод.

Бактерицидный эффект хлорирования объясняется, в основ­ном, воздействием хлора на различные структуры микроорганизма: цитоплазматическую мембрану, белки цитоплазмы, ядерный аппарат клетки. Хлор уничтожает ферменты дыхательной цепи бактерий – дегидрогеназы, блокируя SH – группы.

При диссоциации хлора образуется хлорноватистая кислота, которая и оказывает бактерицидное действие.

С1₂ + Н₂О - НОС1 + НС1

Бактерицидным свойством обладает также гипохлорит-ион и хлор-ион, которые образуются при диссоциации хлорноватистой кислоты:

НОС1->ОС1- + Н ⁺

ОС1 àС1 - + О

Степень диссоциации НОС1 возрастает при повышении активной реакции воды, таким образом, с повышением рН бактерицидный эффект хлорирования снижается. Действующим началом при хлорировании хлорамином и гипохлоритами является гипохлорит-ион, а двуокисью хлора НСЮ₂ – хлористая кислота, которая имеет наиболее высокий окисли­тельно-восстановительный потенциал, в силу чего при исполь­зовании двуокиси хлора достигается наиболее полное и глубо­кое окисление и обеззараживание.

При введении хлорсодержащего реагента в воду основное его количество – более 95 % расходуется на окисление органических и легкоокисляющихся (соли двухвалентного железа и марганца) неорганических веществ, содержащихся в воде, на соединение с протоплазмой бактериальных клеток расходуется всего 2-3 % общего количества хлора.

Количество хлора, которое при хлорировании 1 л воды расхо­дуется на окисление органических, легкоокисляющихся неорга­нических веществ и обеззараживание бактерий в течение 30 ми­нут, называется хлорпоглощаемостью воды. Хлорпоглощаемость определяется экспериментально, путем проведения пробного хло­рирования.

По окончании процесса связывания хлора содержащимися в воде веществами и бактериями в воде начинает появляться ос­таточный активный хлор. Его появление, определяемое титрометрически, является свидетельством завершения процесса хло­рирования. Остаточный хлор – это активный, не прореагировавший за установленное время избыточный хлор. Величина остаточного хлора должна составлять 0,3-0,5 мг/л, что является гарантией эффективности обеззараживания.

Кроме того, наличие активного остаточного хлора необхо­димо для предотвращения вторичного загрязнения воды в раз­водящей сети. Таким образом, наличие остаточного хлора явля­ется косвенным показателем безопасности воды в эпидемичес­ком отношении.

Общее количество хлора, необходимое для удовлетворения хлорпоглощаемости воды и обеспечения наличия необходимого количества (0,3-0,5 мг/л свободного активного хлора при нор­мальном хлорировании и 0,8-1,2 мг/л связанного активного хлор­а при хлорировании с аммонизацией) остаточного хлора называется хлорпотребностью.

Хлорирование характеризуется широким спектром антимикробного действия в отношении вегетативных форм микроорганизмов, экономичностью, простотой технологического оформления, наличием способа оперативного контроля за процессом обеззараживания.

Хлорирование имеет и ряд существенных недостатков: хлор и его препараты являются токсичными соединениями, поэтому работа с ними требует строго соблюдения техники безопасности. Хлор воздействует в основном на вегетативные формы микроорганизмов, при этом грамположительные формы бактерий более устойчивы к его действию, чем грамотрицательные. Имеются данные о реактивции микроорганизмов в хлорированной питьевой воде, появлении хлорустойчивых штаммов. Для получения гарантированного бактерицидного эффекта прибегают к хлорированию заведомо избыточными дозами хлора, что ухудшает органолептические показатели и приводит к денатурации воды.

Эффективность обеззараживающего действия хлора и его препаратов зависит от биологической характеристики микроорганизма (вид, штамм, плотность заражения). Спороцидный эффект проявляется при относительно высоких концентрациях активного хлора (200-300 мг/л0 и экспозиции от 1,5 до 24 часов. Вирулицидное действие хлорсодержащих препаратов – гибель вирусовнаблюдается при концентрации активног хлора от 0,5 до 100 мг/л. Высокорезистентными к действию хлора являются также цисты простейших и яйца гельминтов.

Кроме того, эффективность обеззараживания зависит от химического состава воды и экспозиции. Различные химические вещества антропогенного происхождения могут существенно влиять на эффективность процесса обеззараживания. Например, поверхностно-активные вещества препятствуют реализации бактерицидного эффекта хлора и даже проявляют стимулирующее действие, вызывая размножение микрофлоры.

В последние годы в литературе появились сообщения о возможности образования в воде после хлорирования галогенсодержащих соединений (ГСС). Источником наибольшего количества ГСС в воде являются гуминовые кислоты, фульвокислоты, хиноины, производные фенола, анилина, а также продукты метаболизма водорослей. На процесс образования ГСС в водной среде оказывает влияние реакционная способность и концентрация органических соединений, форма и доза хлора. ГСС обладает выраженным общетоксическими свойствами, а также дают отдаленные эффекты – эмбриотоксический, мутагенный, канцерогенный.

Методы хлорирования:

· Хлорирование нормальными дозами.

Доза хлора устанавливается экспериментально по сумме величин хлорпоглощаемости и нормы остаточного хлора (хлорпотребности воды) путем проведения опытного хлорирования. Хлорирование нормальными дозами является наиболее часто применяемым методом на водопроводных станциях. Минимальное время контакта воды с хлором при хлорировании составляет летом не менее 30 минут, зимой – 1 часа.

Этапы хлорирования:

I. определение хлорпотребности воды.

II. расчет необходимого количества хлора для обеззараживания воды.

III. контроль эффективности хлорирования путем определения количества остаточного хлора в воде.

Преимущества:

1. малый расход хлора

2. не изменяются органолептические свойства воды.

Недостатки:

3. трудно выбрать рабочую дозу хлора.

· Гиперхлорирование – хлорирование избыточными дозами хлорсодержащими соединениями, заведомо превышающими хлорпотребность воды. Гиперхлорирование применяется в неблагоприятной эпидемиологической обстановке, при отсутствии или неэффективной работе водоочистных сооружений, в полевых условиях, при отсутствии возможности проведения пробного хлорирования для определения хлорпотребности, при невозможности обеспечить достаточное время контакта с хлором.

Преимущества:

1. создает возможность надежного обеззараживания мутных, цветных, сильнозагрязненных и зараженных вод

2. сокращается время обеззараживания до 10-15 минут

3. упрощается техника хлорирования, т.к. нет необходимости проводить опытное хлорирование

Доза хлора определяется ориентировочно в зависимости от вида водоисточника, качества воды (мутности, цветности), степени её загрязнения и опасности в эпидемическом отношении. Дозы хлора при гиперхлорировании для воды хорошо оборудованных колодцев, при хороших органолептических свойствах воды – 10 мг/л, при пониженной прозрачности колодезной воды, воды рек или озер (прозрачной и бесцветной) – 15 мг/л, при сильном загрязнении воды любого водоисточника и при использовании воды из источников непитьевого назначения (вода искусственных прудов и запруд) – 25-20 мг/л. В неблагоприятной эпидемиологической обстановке доза хлора может быть увеличена до 100 мг/л.

По истечении необходимого времени контакта избыточное количество остаточного хлора удаляют путем дехлорирования воды тиосульфатом натрия или фильтрацией через активированный уголь.

Недостатки:

1. большой расход препаратов хлора

2. необходимость проведения дехлорирования

· Хлорирование с преаммонизацией

Этот метод применяется в случае обнаружения в воде поверхностных водоисточников фенолов, попадающих туда с промышленными сточными водами. При взаимодействии хлора с фенолом образуются стабильные хлорфенольные соединения, придающие воде резкий аптечный запах и привкус, что делает воду непригодной для питья и ограничивает использование других способов хлорирования. При хлорировании с преаммонизацией в воду вначале вносится аммиак, образующий амины, а затем хлор, вступающий в реакцию с аминами с образованием хлорамина, который и оказывает бактерицидное действие. Образующиеся хлорамины не взаимодействуют с фенолами из-за более низкого окислительно-восстановительного потенциала и хлорфенольный запах не возникает. К недостаткам метода можно отнести то, что хлораминный хлор проявляет бактерицидный эффект в 2 раза медленнее, чем свободный хлор, и обладает более низким окислительно-восстановительным потенциалом, поэтому время хлорирования увеличивается и количество остаточного связанного хлора должно составлять 0,8 – 1,2 мг/л.

Данный способ хлорирования может применяться при необходимости транспортировки воды по трубопроводам на большие расстояния. Это обусловлено тем, что остаточный связанный (хлораминный) хлор обеспечивает более длительный бактерицидный эффект, чем свободный.

Наиболее лучшим соотношением аммиака и хлора считается 1:4, при котором образуется монохлорамин, наиболее эффективно предотвращающий появление запаха. Уже образовавшийся запах аммонизация не устраняет.

· Двойное хлорирование.

Хлор подается в воду первый раз в смеситель перед отстойниками, а второй – после фильтров. Хлор перед отстойниками ослабляет защитные свойства коллоидов, облегчая процесс коагуляции, и позволяет уменьшить дозу коагулянта. Кроме того, он подавляет рост бактерий, засоряющих песок на фильтрах, и делает более успешным повторное заключительное хлорирование. Двойное хлорирование применяют в тех случаях, когда бактериальная загрязненность речной воды высока или подвержена значительным колебаниям. Повторное обеззараживание служит дополнительной гарантией надежности эпидемиологической безопасности воды.