Специальные методы обработки воды

К специальным методам улучшения качества питьевой воды относятся ко­ндиционирование минерального состава, удаление привкусов, запахов, дезак­тивация и т. д. Все виды кондиционирования минерального состава воды мо­гут быть разделены на 2 группы: 1) удаление из воды излишка солей или газов (умягчение, опреснение, обезжелезивание, дезодорация, дезактивация, дефто-ривание и пр.); 2) добавление к воде тех или иных солей с целью улучшения ее органолептических свойства или повышения содержания микроэлементов, ко­торых недостаточно в воде и пищевых продуктах (фторирование). После спец­обработки на водопроводе вода подлежит обязательному обеззараживанию.

Дезодорация— устранение привкусов и запахов воды. Достигается аэри­рованием воды, обработкой окислителями (озонированием, хлора диоксидом, высокими дозами хлора, калия перманганатом), фильтрованием через слой ак­тивированного угля. Выбор метода дезодорации зависит от происхождения привкусов и запахов.

Обезжелезиваниепроизводится путем разбрызгивания воды с целью аэра­ции в специальных устройствах — градирнях. При этом двухвалентное железо окисляется в железа (III) гидроксид (см. с. 121), осаждающийся в отстойнике или задерживаемый на фильтре. Если концентрация солей железа превышает 5 мг/л, необходимо предварительное осаждение его солей.

Умягчение— снижение природной жесткости воды. К методам умягче­ния воды относятся: 1) реагентные; 2) ионного обмена; 3) термический.

Из реагентных методов наиболее распространенный содово-известковый, с помощью которого кальций и магний осаждаются в отстойнике в виде нерас­творимых солей (кальция, магния карбонатов и др.). Известь (кальция гидрок­сид), внесенная в воду в большем количестве, чем это необходимо для связы­вания углекислоты (углерода диоксида), взаимодействует с кальция гидрокар­бонатом, образуя кальция карбонат, который выпадает в осадок: Са(НС0₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаС0₃1 + 2Н₂0, Mg (НС0₃)₂ + Са(ОН)₂ = Mg C0₃>L + СаС0₃>1 + 2Н₂0.

Для удаления кальция и магния сульфатов в воду добавляют раствор нат­рия карбоната:

CaS0₄ + Na₂C0₃ = Na₂S0₄ + CaC0₃>k

Mg S0₄ + Na₂C0₃ = Na₂S0₄ + MgC0₃i.

Более современным методом является фильтрация воды через фильтры, заполненные ионитами, — катионитовое смягчение.

Иониты могут быть естественного или искусственного (минерального или органического) происхождения, практически нерастворимые в воде и орга­нических растворителях. Способны обменивать свои ионы на ионы раствора. Большинство ионитов — высокомолекулярные соединения сетчатой или прост-

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

ранственной структуры. Иониты делят на катиониты (способны обменивать катионы) и аниониты (способны обменивать анионы).

С целью умягчения воду фильтруют через слой естественных (глаукони-товый песок) или искусственных катионитов толщиной 2—4 м. При этом ионы кальция и магния (Са²⁺, Mg²⁺) воды обмениваются на Na⁺ или Н⁺ катионита. В практике водоподготовки могут быть использованы лишь те катиониты, ко­торые получили гигиеническую оценку и разрешены для использования Ми­нистерством здравоохранения.

Умягчение воды кипячением дает возможность избавить воду только от устранимой жесткости за счет разложения кальция и магния гидрокарбонатов до нерастворимых карбонатов, которые выпадают в осадок (уравнения хими­ческих реакций приведены на с. 158).

Выбор того или иного способа определяется необходимой степенью умяг­чения (наилучший результат, приближенный к 100%, дает использование ка­тионитов), зависит от количества воды, которую необходимо обработать, тех­нических и экономических расчетов.

Опреснение воды— это удаление растворенных в ней минеральных со­лей до величин, рекомендованных госстандартом, при которых вода становит­ся пригодной для питья или технических нужд. Наиболее распространенными методами опреснения воды на водопроводах являются дистилляция, химичес­кие (ионный обмен, реагентные), с применением селективных мембран (элект­родиализ, гиперфильтрация) и др. Опресненную воду обрабатывают, оптими­зируя для питья: фильтруют через активированный уголь (удаляют привкусы и запахи), фторируют и обогащают минеральными солями, пропуская через фильтры с мраморной крошкой и добавляя часть неопресненной воды.

Опреснение высокоминерализованных (солоноватых и соленых, в том чи­сле морских и океанических) вод является перспективным способом пополне­ния дефицита пресных вод в маловодных и аридных районах. Опреснение дос­тигают или удалением из воды излишков солей, или сепарацией молекул Н₂0. Сепарация связана в большинстве случаев (кроме метода экстракции и обрат­ного осмоса) с переходом воды в парообразное или твердое (лед) состояние, то есть с изменением ее агрегатного состояния.

В промышленном масштабе используют 5 основных методов опреснения воды: дистилляции, вымораживания, обратного осмоса, электродиализа, ион­ного обмена.

Дистилляционный процесс является одним из наиболее дешевых, поэто­му сегодня как по количеству опреснительных установок, так и, особенно, по их суммарной продуктивности методы дистилляции занимают доминирую­щее положение.

Производительность испарительных опреснительных установок сущест­венно зависит от максимальной температуры нагревания опресняющейся во­ды и степени рекуперации тепла. По характеру использования тепловой энер­гии и степени ее рекуперации дистилляционные установки разделяют на од­но-, многоступенчатые и парокомпрессионные.

____ РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ____

Стоимость тепловой энергии составляет 30—40% стоимости опреснения воды методом дистилляции. В связи с этим в районах с высокой интенсивнос­тью солнечной радиации нашли применение солнечные опреснители парнико­вого типа или с концентрацией солнечного тепла зеркальными отражателями. Обычно максимальная температура нагревания воды в гелиоустановках не пре­вышает 65—70 °С, а их производительность зависит от испаряющей поверхнос­ти и колеблется в пределах до 4—5 л/м² в сутки. Гелиоустановки применяют преимущественно для получения небольшого количества пресной воды.

Опреснение воды методом вымораживания основано на том, что тем­пература замерзания соленой воды ниже температуры замерзания пресной. Методы вымораживания экономичнее дистилляции. Оптимальным является охлаждение воды при 0 °С. Важным условием является медленное течение тер­модинамических процессов. Технологией этой группы методов предусмотрена двухэтапность процесса: I этап — частичное опреснение льда при медленном замерзании воды ниже 0 °С (образование агрегатов из кристаллов пресного льда, между которыми имеются пустоты, заполненные замерзшым рассолом); II этап — получение пресной воды при медленном растапливании льда (сна­чала тает и стекает с первыми порциями воды рассол, лед опресняется и при дальнейшем таянии образуется пресная вода).

Мембранные методы являются самыми простыми, однако они рентабель­ны лишь при обработке воды с невысоким содержанием солей.

Электродиализный метод опреснения воды основан на принципе разделе­ния солей в электрическом поле через селективные полупроницаемые ионито-вые мембраны: катионы солей, двигаясь под воздействием электрического тока к катоду, свободно проходят через катионитовые мембраны и задерживаются анионитовыми, анионы солей — наоборот. Попеременное размещение мемб­ран в электродиализном аппарате обусловливает образование камер опреснен­ной воды, чередующихся с камерами концентрата.

Метод обратного осмоса (гиперфильтрация) основан на опреснении во­ды путем фильтрации ее под высоким давлением (50—100 атм) через полупро­ницаемые мембраны, которые пропускают молекулы воды, но задерживают более крупные гидратированные ионы растворенных в воде солей. Сегодня ши­рокое применение получили мембраны из ацетатов целлюлозы, полиамидных соединений, полиакриловой кислоты, нейлона.

Метод ионного обмена широко применяют для опреснения вод с содер­жанием соли до 2—3 г/л, умягчения и глубокого обессоливания пресных вод. Основан он на применении практически нерастворимых в воде ионообменных зернистых материалов — катионитов и анионитов.

Для опреснения воды обычно используют катеониты в водородной и ани-ониты в гидроксильной формах, то есть, предварительно заряженные соответ­ственно обменными катионами водорода (Н-катионит) или гидроксильными анионами (ОН-анионит). Реакции ионного обмена подчиняются закону дейст­вия масс, поэтому регенерация катионитов и анионитов при их истощении со-

____ ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ_______________________________

ответственно осуществляется концентрированными в достаточной мере раст­ворами кислот и оснований.

Опресненные воды обычно не совсем пригодны для питья, что обуслов­ливает потребность в соответственном их кондиционировании: улучшении ор-ганолептических свойств, доочистке, коррекции макро- и микроэлементного состава, обеззараживании. Санитарно-технические требования к качеству на­чальных и опресненных вод, а также к применению различных методов опрес­нения высокоминерализованных вод для питьевых целей отражены в документе ВОЗ "Гигиенические аспекты опреснения воды", 1980 г. ("Guideliness on Health Aspects of Water Desalination", Sidorenko G.I., Rachmanin Y.A. WHO, Geneva, ETS/80.4. — 60 p.).

Дезактивация.Коагуляция, отстаивание и фильтрация воды на водопро­водах снижает содержание радиоактивных веществ в ней на 70—80%. С целью более глубокой дезактивации воду фильтруют через катионо- и анионообмен-ные смолы.

Дефторирование воды.Показания к использованию этого метода — по­вышенное (свыше 1,5 мг/л) содержание фтора в воде и большое количество среди населения больных флюорозом зубов II и выше степеней. Дефторирова­ние воды показано лишь тогда, когда для оздоровления эндемического очага флюороза невозможно изменить источник водоснабжения или разбавлять его воду водой с низкой концентрацией фтора.

При дефторировании концентрацию фтора в воде доводят до оптимальной для определенной местности. Для удаления из воды избытка фтора предложено множество методов, которые можно разделить на реагентные (методы осажде­ния) и фильтрационные. Реагентные методы основываются на сорбции фтора свежеосажденными алюминия или магния гидроксидами. Этот метод рекоме­ндуется для обработки поверхностных вод, так как, кроме фторирования, до­стигается еще и осветление, и обесцвечивание.

Очищение воды от излишка фтора можно проводить при помощи ее фильт­рования через анионообменные смолы:

В качестве ионообменного материала часто используют активированный и гранулированный алюминия оксид. Иногда уменьшить содержание фтора в воде можно за счет разведения ее водой из источника с минимальным количест­вом фтора.

Фторирование воды.Выбор дозы фтора должен обеспечить противо-кариозный эффект. Однако, если содержание фтор-иона в воде превышает 1,5—2,0 мг/л, это приведет к поражению населения флюорозом. Вот почему во время фторирования воды содержание в ней фтор-иона должно быть в преде­лах 70—80% от максимальных уровней в соответствии с разными климатичес­кими районами — в пределах 0,7—1,5 мг/л.

Для фторирования питьевой воды можно использовать фторсодержащие соединения, в частности кремниефтористый натрий (Na₂SiF₆), кремниефто-

____ РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ____

ристую кислоту H₂SiF₆, натрия фторид (NaF), кремниефтористый аммоний (NH₄)₂SiF₆, кальция фторид (CaF₂), фтористоводородную кислоту (HF) и т. п.¹ Есть два способа фторирования воды: на протяжении года одной дозой и посезонно зимней и летней дозами. В первом случае на протяжении года доба­вляют одинаковую дозу фтора, которая отвечает климатическим условиям на­селенного пункта. Если доза изменяется в зависимости от сезона года, то в хо­лодный период, когда среднемесячная температура воздуха (в 13.00) не превы­шает 17—18 °С, воду можно фторировать на уровне 1 мг/л, а в теплый период (например, в июне — августе) — на более низком уровне. Это зависит от сред­ней максимальной температуры (в 13.00) в эти месяцы. Например, при тем­пературе 22—26 °С используют дозу 0,8 мг/л фтор-иона, при 26—30 °С и вы­ше — 0,7 мг/л.

Обеззараживание питьевой воды

Обеззараживание питьевой воды служит для создания надежного барьера на пути передачи водным путем возбудителей инфекционных болезней. Мето­ды обеззараживания воды направлены на уничтожение патогенных и услов­но-патогенных микроорганизмов, чем обеспечивается эпидемическая безопас­ность воды.

Воду обеззараживают на конечном этапе очистки после осветления и обе­сцвечивания перед поступлением в резервуары чистой воды, которые одновре­менно выполняют функции контактных камер. Для обеззараживания воды применяют реагентные (химические) и безреагентные (физические) методы. Реагентные методы основаны на введении в воду сильных окислителей (хло­рирование, озонирование, манганирование, обработка воды йодом), ионов тя­желых металлов и ионов серебра. К безреагентным относятся термическая об­работка, ультрафиолетовое облучение, обработка ультразвуком, у-облучение, обработка током сверхвысокой частоты. Метод выбирают в зависимости от количества и качества исходной воды, методов ее предварительной очистки, требований к надежности обеззараживания, с учетом технико-экономических показателей, условий поставки реагентов, наличия транспорта, возможности автоматизации процесса.

Обеззараживание воды хлором и его соединениями.На сегодняшний день наиболее распространенным методом обеззараживания воды на водопро­водных станциях остается хлорирование. Среди хлорсодержащих соединений, учитывая определенные гигиенические и технические преимущества, чаще все­го используют жидкий хлор. Возможно также применение хлорной извести, кальция и натрия гипохлорита, хлора диоксида, хлораминов и др.

Для использования в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения допускаются лишь фторсодержащие соединения, прошедшие гигиеническую апробацию и включенные в "Перечень материалов и реагентов, разрешенных Главным санитарно-эпидемиологическим управлением Министерства здравоохранения СССР для применения в практике хозяйственно-питьевого во­доснабжения (№ 3235-85)".

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Впервые в практике водоподготовки хлор был применен задолго до открытия Л. Пастером микробов, доказательства Р. Кохом этиологического значения па­тогенных микроорганизмов в развитии инфекционных болезней, окончательного осознания Т. Эшерихом микробиологической сущности водных эпидемий и бакте­рицидных свойств хлора. Применяли его с целью дезодорации воды, которая имела неприятный "септический"запах. Хлор оказался очень эффективным дезодоран­том и, кроме того, после обработки воды хлором у людей значительно реже диаг­ностировали кишечные инфекции. С началом хлорирования воды во многих стра­нах Европы прекратились эпидемии брюшного тифа и холеры. Было высказано предположение, что причиной болезней были плохой запах и вкус воды, которые эффективно устранял хлор. Лишь со временем доказали микробную этиологию водных эпидемий кишечных инфекций и признали роль хлора в качестве обеззара­живающего агента.

Для хлорирования воды применяют жидкий хлор, который хранится под давлением в специальной таре (баллонах), или вещества, содержащие актив­ный хлор.

Хлорирование воды жидким хлором. Хлор (С1₂) при нормальном атмо­сферном давлении является газом зеленовато-желтого цвета, который в 1,5—

2,5 раза тяжелее воздуха, с резким и неприятным запахом, хорошо раство­ряется в воде, при повышении давле­ния легко сжижается. Атомный вес хло­ра — 35,453, молекулярная масса — 70,906 г/моль. Хлор может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Хлор на водопроводные станции для обеззараживания воды доставля­ют жидким в баллонах под давлением. Хлорирование осуществляют при по­мощи хлораторов. В них готовят раст­вор хлора, который вводят непосред­ственно в трубопровод, по которому вода поступает в РЧВ. Используют хло­раторы Л.А. Кульского (рис. 20), ва­куумные хлораторы ЛОНИИ-100, Ж-10, ЛК-12, ХВ-11. Принципиальная схема хлоратора ЛОНИИ-100 изображена на рис. 21.

При подключении баллона к хло­ратору жидкий хлор испаряется. Газо­образный хлор очищается в баллоне и на фильтре, и после снижения его дав­ления с помощью редуктора до 0,001— 0,02 МПа его смешивают в смесителе с водой. Из смесителя концентрирован-

Рис.21. Технологическая схема типичной хлораторной на 3 кг/ч: 1 — весы платформные; 2 — стояки с баллонами; 3 — улавливатель загрязнений; 4 — хлораторы

ЛОНИИ-100; 5 — эжекторы

ный раствор всасывается эжектором и подается в трубопровод. Хлораторы ти­па ЛК, конструкция которых проще, а точность ниже используют для станций больших мощностей. Эти хлораторы не требуют предварительной очистки хлора, не так точны в дозировании, но могут подавать хлорную воду на высоту 20— 30 м. После же эжектора от ЛОНИИ-100 напор составляет лишь 1—2 м. Во время растворения хлора в воде происходит его гидролиз с образова­нием хлоридной (соляной) и гипохлоритной (или хлорноватистой) кислот:

С1₂+ Н₂0 ^ HCl + НС10.

Хлорноватистая кислота НС10 является слабой одноосновной нестойкой кислотой, которая легко диссоциирует, образуя гипохлорит-ион (СЮ~):

НСЮ ^ Н⁺ + СЮ".

Степень диссоциации хлорноватистой кислоты зависит от pH воды. При pH < 5 (по Л. Кульскому) почти весь свободный хлор остается в виде неиони-зированной хлорноватистой кислоты (НСЮ). При повышении pH возрастает степень диссоциации хлорноватистой кислоты. При pH свыше 9,2 (по Л. Куль­скому) почти весь свободный хлор находится в виде иона гипохлорита (СЮ^-). Окислительное действие (окислительный потенциал) имеет как гипохлоритная кислота, так и гипохлорит-ион. Именно поэтому обе эти формы способны ока­зывать бактерицидное влияние. Их называют свободным активным хлором. Окислителем является и молекулярный хлор (С1₂), который также рассматри­вается как одна из форм свободного активного хлора¹.

Кроме того, хлорноватистая кислота распадается с образованием атомар­ного кислорода, который также является сильным окислителем:

НСЮ It HCl + О".

Активным хлором называется такой, который способен при pH 4 выделять эквивалент­ное количество йода из водных растворов калия йодида. Различают свободный (молекулярный хлор, хлорноватистая кислота, гипохлорит-ион) и связанный (хлор, входящий в состав органи­ческих и неорганических моно- и дихлораминов) активный хлор.

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Раньше считали, что именно этот атомарный кислород оказывает бактери­цидное действие. Сегодня доказано, что обеззараживающий эффект жидкого хлора, а также хлорной извести, кальция и натрия гипохлоритов, двухтретиос-новной соли кальция гипохлорита обусловлен окислителями, которые образу­ются в воде при растворении хлорсодержащих соединений, причем прежде всего — действием гипохлоритной кислоты, а затем — гипохлоритного анио­на и наконец атомарного кислорода.

Хлорирование воды гипохлоритами (солями хлорноватистой кислоты) проводят на водопроводных станциях низкой мощности. Гипохлориты также используют для длительного обеззараживания воды в шахтных колодцах при помощи керамических патронов, для обеззараживания воды в полевых усло­виях, в том числе с использованием тканево-угольных фильтров и др.

Для дезинфекции питьевой воды используют кальция гипохлорит Са(ОС1)₂. В процессе его растворения в воде происходит гидролиз с образованием хлор­новатистой кислоты и дальнейшей ее диссоциацией:

Са(ОС1)₂ + 2Н₂0 = Са(ОН)₂ + 2НСЮ,

нею -£. н⁺ + cicr.

В зависимости от способа производства кальция гипохлорит может содер­жать от 57—60% до 75—85% активного хлора. Вместе с чистым гипохлоритом для обеззараживания воды используют смесь кальция гипохлорита с другими солями (NaCl, СаС1₂). Такие смеси содержат до 60—75% чистого гипохлорита.

На станциях с расходом активного хлора до 50 кг/сут можно использовать для обеззараживания воды натрия гипохлорит (NaCIO • 5Н₂0). Этот крис­таллогидрат получают из раствора натрия хлорида (NaCl) электролитическим способом.

Натрия хлорид в воде диссоциирует с образованием катиона натрия и ани­она хлора:

NaCl ^ Na⁺ + СГ

Во время электролиза на аноде происходит разряжение ионов хлора и обра­зуется молекулярный хлор:

2СГ -» С1₂ + 2е.

Образовавшийся хлор растворяется в электролите:

С1₂+Н₂О^НС1 + НСЮ,

С1₂+ОН-^СІ+НСЮ.

На катоде происходит разряд молекул воды:

Н₂0 + е -> ОН- + Н⁺.

Атомы водорода после рекомбинации в молекулярный водород выделяю­тся из раствора в виде газа. Гидроксильные анионы ОН", оставшиеся в воде, реагируют с катионами натрия Na⁺, вследствие чего образуется NaOH. Натрия гидроксид взаимодействует с хлорноватистой кислотой с образованием натрия гипохлорита:

NaOH + НС10 -> NaOCI + Н₂0.

Рис. 22. Технологическая схема электролитического получения натрия гипохлорита: 1 — растворный бак; 2 — насос; 3 — распределительный тройник; 4 — рабочий бак; 5 — дозатор; 6 — электролизер с графитовыми электродами; 7 — бак-накопитель натрия гипохлорита; 8 — зонт

вытяжной вентиляции

Натрия гипохлорит в значительной мере диссоциирует с образованием СЮ", который обладает высокой антимикробной активностью:

NaCIO ^ Na⁺ + СЮ",

сю- + н⁺;^нсю.

Электролизерные установки разделяют на проточные и порционные. В их состав входят электролизеры, разнотипные баки. Принципиальная схема пор­ционной установки изображена на рис. 22. Раствор натрия хлорида 10% кон­центрации подают в бак постоянного уровня, откуда он вытекает с постоян­ным расходом. После заполнения бачка-дозатора срабатывает сифон и сливает определенный объем раствора в электролизер. Под воздействием электричес­кого тока в электролизере образуется натрия гипохлорит. Новые порции раст­вора соли выталкивают натрия гипохлорит в расходный бак, из которого он дозируется насосом-дозатором. Бак-накопитель должен вмещать объем натрия гипохлорита не менее чем на 12 ч.

Преимуществом получения натрия гипохлорита электролитическим мето­дом в месте употребления является то, что отпадает необходимость в транспор­тировке и хранении токсического сжиженного хлора. Среди недостатков мож­но назвать значительные энергозатраты.

Обеззараживание воды прямым электролизом. Метод состоит в прямом электролизе пресной воды, в которой природное содержание хлоридов не ни-

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

же 20 мг/л, а жесткость — не выше 7 мг-экв/л. Применяют на водопроводных станциях мощностью до 5000 м³/сут. Вследствие прямого электролиза на ано­де происходит разряжение находящихся в воде хлорид-ионов и образуется мо­лекулярный хлор, который гидролизуется с образованием хлорноватистой кис­лоты:

2СГ ^ С1₂ + 2е, С1₂ + Н₂О^НС1 + НСЮ.

Во время обработки электролизом воды с pH в пределах 6—9 главными дезинфекционными агентами являются хлорноватистая (гипохлоритная) кис­лота НСЮ, гипохлорит-анион С10~ и монохлорамины NH₂C1, которые образу­ются вследствие реакции между НСЮ и аммонийными солями, содержащими­ся в природной воде. Одновременно во время обработки воды электролитичес­ким методом на микроорганизмы действует электрическое поле, в котором они находятся, что усиливает бактерицидный эффект.

Обеззараживание воды хлорной известью применяют на малых водоп­роводных станциях (производительностью до 3000 м³/сут), предварительно приготовив раствор. Хлорной известью также заполняют керамические патро­ны для обеззараживания воды в шахтных колодцах или на локальных водопро­водах.

Хлорная известь — белый порошок с резким запахом хлора и сильными окисляющими свойствами. Это смесь кальция гипохлорита и кальция хлорида. Получают хлорную известь из известняков. Кальция карбонат при температу­ре 700 °С распадается с образованием негашеной извести (кальция оксид), ко­торая после взаимодействия с водой превращается в гашеную известь (кальция гидроксид). При взаимодействии хлора с гашеной известью образуется хлор­ная известь:

СаСОз ^ СаО + С0₂,

СаО + Н₂0 = Са(ОН)₂,

2Са(ОН)₂ + 2С1₂ = Са(ОС1)₂ + СаС1₂+ 2Н₂0 или

2Са(ОН)₂ + 2С1₂= 2СаОС1₂ + 2Н₂0.

Основную составную часть хлорной извести выражают формулой:

Технический продукт содержит не более 35% активного хлора. В процессе хранении хлорная известь частично разлагается. То же происходит с кальция гипохлоритом. Свет, влажность и высокая температура ускоряют потерю ак­тивного хлора. Хлорная известь теряет приблизительно 3—4% активного хло­ра в месяц вследствие реакций гидролиза и разложения на свету. Во влажном помещении хлорная известь разлагается, образуя хлорноватистую кислоту:

2СаОС1₂ + С0₂ + Н₂0 = СаС0₃ + СаС1₂ + 2НСЮ.

____ РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ____

Поэтому перед использованием хлорной извести и кальция гипохлорита проверяют их активность — выраженное в процентах содержание активного хлора в хлорсодержащем препарате.

Бактерицидным действием хлорная известь, так же, как и гипохлориты, обя­зана группе (ОСГ), которая в водной среде образует хлорноватистую кислоту:

2СаОС1₂ + 2Н₂0 -> СаС1₂ + Са(ОН)₂ + 2НС10.

Хлора диоксид (ClOJ — газ желто-зеленого цвета, легко растворяется в воде (при температуре 4 °С в 1 объеме воды растворяется 20 объемов газооб­разного СЮ₂). Не гидролизует. Его целесообразно применять в случае, если особенности природной воды являются неблагоприятными для эффективного обеззараживания хлором, например, при высоких значениях pH или в присут­ствии аммиака. Однако получение хлора диоксида является сложным процес­сом, который требует специального оборудования, квалифицированного пер­сонала, дополнительных финансовых затрат. Кроме того, хлора диоксид взры­воопасен, что требует строгого соблюдения требований техники безопасности. Указанное ограничивает использование хлора диоксида для обеззараживания воды на хозяйственно-питьевых водопроводах.

К хлорсодержащим препаратам относятся и хлорамины (неорганические и органические), которые в практике водоподготовки используют ограничено, но применяют как обеззараживающие агенты во время проведения мероприя­тий по дезинфекции, в частности в лечебно-профилактических учреждениях. Неорганические хлорамины (монохлорамины NH₂C1 и дихлорамины NHC1₂) образуются при взаимодействии хлора с аммиаком или аммонийными солями:

NH₃ + CI₂ = NH₂CI + HCI,

NH₂CI + CI₂ = NHCI₂ + HCl.

Вместе с неорганическими соединениями хлора для обеззараживания ис­пользуют и органические хлорамины (RNHC1, RNC1₂). Их получают в процес­се взаимодействия хлорной извести с аминами или их солями. При этом один или два атома водорода аминной группы замещаются хлором. Разные хлора­мины содержат 25—30% активного хлора.

Процесс обеззараживания воды хлорсодержащими препаратами прои­сходит в несколько стадий:

1. Гидролиз хлора и хлорсодержащих препаратов:

С1₂ + Н₂0 = HCl + НС10;

Са(ОС1)₂ +2Н₂0 = Са(ОН)₂+ 2НС10;

2СаОС1₂ + 2Н₂0 = Са(ОН)₂ + СаС1₂ + 2НС10.

2. Диссоциация хлорноватистой кислоты.

При pH ~ 7,0 НС10 диссоциирует: НС10 <± Н⁺ + СЮ".

3. Диффузия в бактериальную клетку молекулы НС10 и иона СЮ".

4. Взаимодействие обеззараживающего агента с энзимами микроорганиз­мов, которые окисляются хлорноватистой кислотой и гипохлорит-ионом.

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Активный хлор (НСЮ и СЮ") сначала диффундирует внутрь бактериаль­ной клетки, а затем вступает в реакцию с ферментами. Наибольшее бактери­цидное и вирулицидное действие оказывает недиссоциированная хлорноватис­тая кислота (НСЮ). Скорость процесса обеззараживания воды определяется кинетикой диффузии хлора внутрь бактериальной клетки и кинетикой отмира­ния клеток в результате нарушения метаболизма. С повышением концентра­ции хлора в воде, ее температуры и с переходом хлора в недиссоциированную форму легко диффундируемой хлорноватистой кислоты общая скорость про­цесса дезинфекции повышается.

Механизм бактерицидного действия хлора состоит в окислении органи­ческих соединений бактериальной клетки: коагуляции и повреждении ее обо­лочки, угнетении и денатурации ферментов, обеспечивающих обмен веществ и энергии. Наиболее всего повреждаются тиоловые ферменты, содержащие SH-группы, которые окисляются хлорноватистой кислотой и ионом гипохло-рита. Среди тиоловых ферментов активнее всего угнетается группа дегидроге-наз, которые обеспечивают дыхание и энергетический обмен бактериальной клетки¹. Под влиянием хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона угнетают­ся дегидрогеназы глюкозы, этилового спирта, глицерина, янтарной, глютами-новой, молочной, пировиноградной кислот, формальдегида и др. Угнетение де-гидрогеназ приводит к торможению процессов окисления на начальных эта­пах. Последствием этого является как торможение процессов размножения бак­терий (бактериостатическое действие), так и их гибель (бактерицидное действие).

Механизм действия активного хлора на вирусы состоит из двух фаз. Сна­чала происходят адсорбция хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона на обо­лочке вируса и проникновение через нее, а затем — инактивация ими РНК или ДНК вируса.

С повышением значения pH бактерицидность хлора в воде снижается. На­пример, для уменьшения количества бактерий в воде на 99% при дозе свобод­ного хлора 0,1 мг/л продолжительность контакта увеличивается с 6 до 180 мин при повышении pH соответственно с 6 до 11. Следовательно воду целесообраз­но обеззараживать хлором при низких значениях pH, то есть до введения ще­лочных реагентов.

Наличие в воде органических соединений, способных к окислению, неор­ганических восстановителей, а также коллоидных и взвешенных веществ, об­волакивающих микроорганизмы, приводит к замедлению процесса обеззара­живания воды.

Взаимодействие хлора с компонентами воды — сложный и многостадий­ный процесс. Небольшие дозы хлора полностью связываются органическими веществами, неорганическими восстановителями, взвешенными частицами, гуминовыми веществами и микроорганизмами воды. Для надежного обеззара­живающего эффекта воды после ее хлорирования необходимо определять оста­точные концентрации свободного или связанного активного хлора.

Энергетический метаболизм у бактерий происходит в мезосомах — аналогах митохондрий.

Рис. 23. График зависимости величины и вида остаточного хлора от введенной дозы хлора

На рис. 23 приведена зависимость между дозой введенного хлора и оста­точным хлором при наличии в воде аммиака или аммонийных солей. При хло­рировании воды, не содержащей аммиака или других азотсодержащих соеди­нений', с увеличением количества внесенного в воду хлора возрастает содер­жание в ней остаточного свободного хлора. Но картина меняется при наличии в воде аммиака, аммонийных солей и других азотсодержащих соединений, ко­торые являются составной частью природной воды или искусственно вносятся в нее. При этом хлор и хлорные агенты взаимодействуют с присутствующим в воде аммиаком, аммонийными и органическими солями, содержащими амино­группы. Это приводит к образованию моно- и дихлораминов, а также чрезвы­чайно нестойких трихлораминов:

NH₃ + Н₂0 = NH₄OH;

С1₂ + Н₂0 = НС10 + HCl;

НСЮ + NH₄OH = NH₂C1 + Н₂0;

НСЮ + NH₂C1 = NHC1₂+ H₂0;

НСЮ + NHC1₂ = NC1₃ + Н₂0.

Хлорамины представляют собой связанный активный хлор, обладающий бактерицидным действием, которое в 25—100 раз меньше, чем у свободного хлора. Кроме того, в зависимости от pH воды изменяется соотношение между моно- и дихлораминами (рис. 24). При низких значениях pH (5—6,5) преиму­щественно образуются дихлорамины, а при больших значениях pH (больше 7,5) — монохлорамины, бактерицидное действие которых в 3—5 раз слабее, чем дихлораминов. Бактерицидность неорганических хлораминов в 8—10 раз выше, чем хлорпроизводных органических аминов и иминов. При добавлении к воде невысоких доз хлора при молярном соотношении С1₂ : NH* < 1 образу­ются моно- и дихлорамины. Поэтому на отрезке II кривой (см. рис. 23) в воде

Безаммиачной воды в природе нет. Ее можно приготовить лишь в лабораторных условиях из дистиллированной воды.

накапливается остаточный свя­занный с аминами хлор. При увеличении дозы хлора обра­зуется больше хлораминов и концентрация остаточного свя­занного хлора повышается до максимума (точка А).

При дальнейшем увеличе­нии дозы хлора молярное со­отношение введенного хлора и иона NH *, содержащего в во­де, становится больше едини­цы. При этом моно-, ди- и, осо­бенно, трихлорамины окис­ляются избыточным хлором в соответствии с приведенными реакциями:

NHC1₂ + NH₂C1 + НСЮ -> N₂0 + 4НС1;

NHC1₂ + Н₂0 -> NH(OH)Cl + HCl;

NH(OH)Cl + 2HC10 -> HN0₃ + ЗНС1;

NHC1₂ + HCIO -> NC1₃ + H₂0;

4NH₂C1 + 3C1₂ + H₂0 = N₂ + N₂0 + 10HC1;

IONCI3 + CI₂ + 16H₂0= N₂ + 8N0₂ + 32HCI.

При молярном соотношения Cl₂ : NH \ до 2 ( 10 мг Cl₂ на 1 мг N₂ в виде NH \ ) вследствие окисления хлораминов избыточным хлором количество остаточно­го связанного хлора в воде резко снижается (отрезок III) до минимальной точ­ки (точки В), которая называется точкой перелома. Графически она имеет вид глубокого провала на кривой остаточного хлора (см. рис. 23).

При дальнейшем увеличении дозы хлора после точки перелома концент­рация остаточного хлора в воде вновь начинает постепенно возрастать (отре­зок IV на кривой). Этот хлор не связан с хлораминами, носит название свобод­ного остаточного (активного) хлора и имеет наивысшую бактерицидную ак­тивность. Действует на бактерии и вирусы подобно активному хлору при отсутствии в воде аммиака и аммонийных соединений.

Как свидетельствуют данные исследований, воду можно обеззараживать двумя дозами хлора: до- и послепереломной. Однако при хлорировании допе-реломной дозой вода обеззараживается за счет действия хлораминов, а при хло­рировании послепереломной — свободного хлора.

Во время обеззараживания воды добавляемый хлор расходуется как на взаимодействие с микробными клетками и вирусами, так и на окисление орга­нических и минеральных соединений (мочевины, мочевой кислоты, креатини-на, аммиака, гуминовых веществ, солей двухвалентного железа, аммонийных солей, карбаматов и др.), которые содержатся в воде во взвешенном и раство-

____ РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ____

ренном состоянии. Количество хлора, поглощенное примесями воды (органи­ческими веществами, неорганическими восстановителями, взвешенными час­тицами, гуминовыми веществами и микроорганизмами), называется хлорпог-лощаемостью воды (отрезок I на кривой). Поскольку природные воды имеют различный состав, то и величина хлорпоглощаемости у них неодинакова. Та­ким образом, хлорпоглощаемость — это количество активного хлора, которое поглощается взвешенными частицами и расходуется на окисление бактерий, органических и неорганических соединений, содержащихся в 1 л воды.

Рассчитывать на успешное обеззараживание воды можно лишь при нали­чии некоторого избытка хлора по отношению к количеству, которое поглоща­ется бактериями и различными соединениями, содержащимися в воде. Эффек­тивной является доза активного хлора, равная суммарному количеству погло­щенного и остаточного хлора. С присутствием в воде остаточного хлора (или, как его еще называют, избыточного) связано представление об эффективности обеззараживания воды.

При хлорировании воды жидким хлором, кальция и натрия гипохлорита-ми, хлорной известью 30-минутный контакт обеспечивает надежный обеззара­живающий эффект при концентрации остаточного хлора не меньше 0,3 мг/л. Но при хлорировании с преаммонизацией контакт должен быть на протяжении 1—2 ч, а эффективность обеззараживания будет гарантированной при наличии остаточного связанного хлора в концентрации не менее 0,8 мг/л.

Хлор и хлорсодержащие соединения в значительной мере влияют на орга-нолептические свойства питьевой воды (запах, привкус), а в определенных кон­центрациях раздражают слизистые оболочки ротовой полости и желудка. Пре­дельная концентрация остаточного хлора, при которой питьевая вода не при­обретает хлорного запаха и привкуса, установлена для свободного хлора на уровне 0,5 мг/л, а для связанного — 1,2 мг/л. По токсикологическим призна­кам предельной концентрацией активного хлора в питьевой воде является 2,5 мг/л'.

Следовательно, для обеззараживания воды необходимо добавить такое ко­личество хлорсодержащего препарата, чтобы после обработки вода содержала 0,3—0,5 мг/л остаточного свободного или 0,8—1,2 мг/л остаточного связанно­го хлора. Такой избыток активного хлора не ухудшает вкуса воды, не вредит здоровью, но гарантирует ее надежное обеззараживание.

Таким образом, для эффективного обеззараживания к воде добавляют до­зу активного хлора, равную сумме хлорпоглощаемости и остаточного активно­го хлора. Эта доза называется хлорпотребностью воды.

Хлорпотребностъ воды — это количество активного хлора (в миллиграм­мах), необходимое для эффективного обеззараживания 1 л воды и обеспечива­ющее содержание остаточного свободного хлора в пределах 0,3—0,5 мг/л после 30-минутного контакта с водой, или количество остаточного связанного хлора в пределах 0,8—1,2 мг после 60-минутного контакта. Содержание остаточного

Предельная концентрация хлора диоксида в питьевой воде — не выше 0,5 мг/л, лимити­рующий показатель водного действия — органолептический.

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

активного хлора контролируют после резервуаров чистой воды перед подачей в водопроводную сеть. Поскольку хлорпоглощаемость воды зависит от ее со­става и является неодинаковой для воды из разных источников, то в каждом случае хлорпотребность определяют экспериментально путем пробного хло­рирования. Ориентировочно хлорпотребность осветленной и обесцвеченной коагуляцией, отстаиванием и фильтрацией речной воды колеблется в пределах 2—3 мг/л (иногда — до 5 мг/л), воды подземных межпластовых вод — в преде­лах 0,7—1 мг/л.

Факторы, влияющие на процесс хлорирования воды, связаны с: 1) био­логическими особенностями микроорганизмов; 2) бактерицидными свойства­ми хлорсодержащих препаратов; 3) состоянием водной среды; 4) с условиями, в которых осуществляется обеззараживание.

Известно, что споровые культуры во много раз более устойчивы, чем веге­тативные формы к действию дезинфицирующих средств. Энтеровирусы более стойкие, чем кишечные бактерии. Сапрофитные микроорганизмы более резис­тентны, чем патогенные. При этом среди патогенных микроорганизмов наибо­лее чувствительными к хлору являются возбудители брюшного тифа, дизенте­рии, холеры. Возбудитель паратифа В более стойкий к действию хлора. Кроме того, чем выше инициальная контаминация воды микроорганизмами, тем ни­же при одинаковых условиях эффективность обеззараживания.

Бактерицидная активность хлора и его соединений связана с величиной его окислительно-восстановительного потенциала. Окислительно-восстанови­тельный потенциал возрастает при одинаковых концентрациях в ряду: хлор­амин —> хлорная известь -> хлор —» хлора диоксид.

Эффективность хлорирования зависит от свойств и состава водной среды, а именно: от содержания взвешенных веществ и коллоидных соединений, кон­центрации растворенных органических соединений и неорганических восста­новителей, pH воды, ее температуры.

Взвешенные вещества и коллоиды препятствуют воздействию дезинфици­рующего агента на микроорганизмы, находящиеся в толще частицы, поглоща­ют активный хлор вследствие адсорбции и химического связывания. Влияние на эффективность хлорирования органических соединений, растворенных в воде, зависит как от их состава, так и от свойств хлорсодержащих препаратов. Так, азотсодержащие соединения животного происхождения (белки, аминоки­слоты, амины, мочевина) активно связывают хлор. Соединения, не содержа­щие азота (жиры, углеводы), слабее реагируют с хлором. Поскольку наличие в воде взвешенных веществ, гуминовых и других органических соединений сни­жает эффект хлорирования, для надежного обеззараживания мутные и повы­шенной цветности воды предварительно осветляют и обесцвечивают.

При снижении температуры воды до 0—4 °С уменьшается бактерицидный эффект хлора. Эта зависимость особенно заметна в опытах с высокой иници­альной контаминацией воды и в случае хлорирования ее невысокоми дозами хлора. В практике работы водопроводных станций, если загрязнение воды ис­точника отвечает требованиям Госстандарта 2761-84 "Источники централизо­ванного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Гигиенические, технические

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

требования и контроль за качеством", снижение температуры заметно не влия­ет на эффективность обеззараживания.

Механизм влияния pH воды на ее обеззараживание хлором связан с осо­бенностями диссоциации хлорноватистой кислоты: в кислой среде равновесие смещается в сторону молекулярной формы, в щелочной — ионной. Хлорно­ватистая кислота в недиссоциированной молекулярной форме лучше прони­кает через оболочки в середину бактериальной клетки, чем гидратированные ионы гипохлорита. Поэтому в кислой среде процесс обеззараживания воды ускоряется.

На бактерицидный эффект хлорирования значительно воздействуют доза реагента и продолжительность контакта: бактерицидный эффект возрастает при повышении дозы и увеличении продолжительности действия активного хлора.

Способы хлорирования воды. Существует несколько способов хлориро-. вания воды с учетом характера остаточного хлора, выбор которых определяет­ся особенностями состава обрабатываемой воды. Среди них: 1) хлорирование послепереломными дозами; 2) обычное хлорирование или хлорирование по хлорпотребности; 3) суперхлорирование; 4) хлорирование с преаммонизацией. • В первых трех вариантах воду обеззараживают свободным активным хлором. При хлорировании с преаммонизацией бактерицидный эффект обусловлен действием хлораминов, т. е. связанного активного хлора. Кроме того, приме­няются комбинированные способы хлорирования.

Хлорирование послепереломными дозами предусматривает, что после 30 мин контакта в воде будет присутствовать свободный активный хлор. Дозу хлора подбирают таким образом, чтобы она была несколько выше той дозы, при которой образуется перелом на кривой остаточного хлора, т. е. в диапазо­не IV (см. рис. 23). Подобранная таким способом доза обусловливает появле­ние в воде остаточного свободного хлора в наименьшем количестве. Этот ме­тод отличается тщательным подбором дозы. Он дает стойкий и надежный бак­терицидный эффект, препятствует появлению запахов в воде.

Обычное хлорирование (хлорирование по хлорпотребности) является наиболее распространенным способом обеззараживания питьевой воды при централизованном хозяйственно-питьевом водоснабжении. Хлорирование по хлорпотребности проводится такой послепереломной дозой, которая через 30 мин контакта обеспечивает присутствие в воде остаточного свободного хлора в пределах 0,3—0,5 мг/л.

Поскольку природные воды существенно отличаются по составу и поэто­му имеют различную хлорпоглощаемость, хлорпотребность определяют экс­периментально путем опытного хлорирования воды, подлежащей обеззаражи­ванию. Помимо правильного выбора дозы хлора, обязательным условием эф­фективного обеззараживания воды является тщательное смешивание и время экспозиции, т. е. время контакта хлора с водой (не менее 30 мин).

Как правило, на водопроводных станциях хлорирование по хлорпотребно­сти проводят после осветления и обесцвечивания воды. Хлорпотребность та­кой воды колеблется в пределах 1—5 мг/л. Оптимальную дозу хлора вводят в воду сразу после фильтрации перед РЧВ.

____ ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ_______________________________

Исходя из хлорпотребности, можно проводить и двойное хлорирование, при котором первый раз хлор подают в смеситель перед камерой реакции, а второй — после фильтров. При этом экспериментально определенную оптима­льную дозу хлора не изменяют. Хлор при введении в смеситель перед камерой реакции улучшает коагуляцию и обесцвечивание воды, чем дает возможность снизить дозу коагулянта. Кроме того, он угнетает рост микрофлоры, которая загрязняет песок на фильтрах. Общие расходы хлора при двойном хлорирова­нии практически не увеличиваются и остаются почти такими же, как и при од­норазовом.

Двойное хлорирование заслуживает широкого применения. К нему следу­ет обращаться в тех случаях, когда загрязнение речной воды сравнительно вы­сокое или подвержено частым колебаниям. Двойное хлорирование повышает санитарную надежность обеззараживания воды.

Суперхлорирование (перехлорирование) является способом обеззаражи­вания воды, при котором используются повышенные дозы активного хлора (5—20 мг/л). Эти дозы фактически являются послепереломными. К тому же они значительно превышают хлорпотребность природной воды и обусловли­вают наличие в ней высоких (свыше 0,5 мг/л) концентраций остаточного сво­бодного хлора. Поэтому метод суперхлорирования не требует предваритель­ного определения хлорпотребности воды и тщательного подбора дозы актив­ного хлора, однако после обеззараживания необходимо удалить избыточный свободный хлор.

Суперхлорирование используют при особой эпидемиологической обста­новке, при невозможности определить хлорпотребность воды и обеспечить до­статочное время контакта хлора с водой, а также с целью предупреждения поя­вления запахов воды и борьбы с ними. Этот метод удобен в военно-полевых условиях, при чрезвычайных ситуациях.

Суперхлорирование эффективно обеспечивает надежное обеззараживание даже мутной воды. От высоких доз активного хлора гибнут устойчивые к дейст­вию дезинфектантов возбудители, такие, как риккетсии Бернетта, цисты дизен­терийной амебы, микобактерии туберкулеза и вирусы. Но даже такие дозы хлора не могут надежно обеззаразить воду от спор сибирской язвы и яиц гельминтов.

При суперхлорировании остаточный свободный хлор в обеззараженной воде значительно превышает 0,5 мг/л, что делает воду непригодной для упот­ребления вследствие ухудшения ее органолептических свойств (резкий запах хлора). Поэтому возникает необходимость в освобождении ее от избытка хлора. Такой процесс называется дехлорированием. Если избыток остаточного хлора невелик, его можно удалить путем аэрации. В остальных случаях воду очища­ют, фильтруя через слой активированного угля или с помощью химических методов, таких, как обработка натрия гипосульфитом (тиосульфатом), нат­рия бисульфитом, сернистым ангидридом (серы диоксидом), железа суль­фатом. На практике применяют преимущественно натрия гипосульфит (тио­сульфат) — Na₂S₂0₃ • 5Н₂0. Количество его рассчитывают в зависимости от количества избыточного хлора, исходя из следующей реакции:

Na₂S₂0₃ + С1₂+ Н₂0 = Na₂S0₄ + 2HCI + si.

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Согласно приведенной реакции связывания между активным хлором и на­трия гипосульфитом при мольном соотношении 1:1, на 0,001 г хлора исполь­зуется 0,0035 г кристаллогидрата натрия гипосульфита, или на 1 мг хлора — 3,5MrNa₂S₂0₃-5H₂0.

Хлорирование с преаммонизацией. Метод хлорирования в преаммониза-цией используется: 1) с целью предотвращения появления неприятных специ­фических запахов, которые возникают после хлорирования воды, содержащей фенол, бензол и этилбензол; 2) для предотвращения образования канцероген­ных веществ (хлороформ и др.) при хлорировании питьевой воды, содержащей гуминовые кислоты, углеводороды метанового ряда; 3) для снижения интенси­вности запаха и привкуса хлора, особенно ощутимого в летнее время; 4) для экономии хлора при высокой хлорпоглощаемости воды и отсутствии запахов, привкусов и высокого бактериального загрязнения. Если природная вода со­держит фенолы (например, вследствие загрязнения водоемов сточными вода­ми промышленных предприятий) даже в незначительных количествах¹, то при обеззараживании хлорсодержащими соединениями, которые гидролизуются с образованием хлорноватистой кислоты, свободный активный хлор сразу же взаимодействует с фенолом, образуя хлорфенолы, которые даже в небольших концентрациях придают воде аптечный привкус и запах. В то же время связан­ный активный хлор — хлораминный, имея более низкий окислительно-восстано­вительный потенциал, не взаимодействует с фенолом с образованием хлорфе-нолов, и поэтому во время обеззараживания не ухудшаются органолептические свойства воды. Аналогично свободный активный хлор способен взаимодейство­вать с углеводородами метанового ряда с образованием тригалометанов (хло­роформа, дибромхлорметана, дихлорбромметана), являющихся канцерогенами. Предотвратить их образование можно, обеззараживая воду связанным актив­ным хлором.

При хлорировании с преаммонизацией в воду, которую обеззараживают, сначала добавляют раствор аммиака² или его солей, а через 1—2 мин вводят хлор. Вследствие этого в воде образуются хлорамины (монохлорамины NH₂C1 и дихлорамины NHC1₂), которые обладают бактерицидным действием. Хими­ческие реакции образования хлораминов приведены на с. 170.

Соотношение образующихся веществ зависит от pH, температуры и коли­чества реагирующих соединений. Эффективность хлорирования с преаммони­зацией зависит от соотношения NH₃ и С1₂, причем используют дозы этих реа­гентов в пропорциях 1:2, 1:4, 1:6, 1:8. Для воды каждого источника водоснаб­жения необходимо подбирать наиболее эффективное соотношения. Скорость обеззараживания воды хлораминами ниже, чем скорость дезинфекции свобод­ным хлором, поэтому продолжительность дезинфекции воды в случае хлори­рования с преаммонизацией должна быть не меньше 2 ч. Особенности бак­терицидного действия хлораминов, а также их способность не образовывать хлорпроизводных, имеющих специфические запахи, объясняется их значитель-

ПДК фенола в воде 0,001 мг/л, лимитирующий показатель — органолептический (запах), 4-й класс опасности.

Для введения аммиака в воду удобнее всего использовать вакуумные хлораторы.

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

но меньшей окислительной активностью, поскольку окислительно-восстанови­тельный потенциал хлораминов значительно ниже, чем у хлора.

Кроме преаммонизации (введение аммиака за 1—2 мин до введения хло­ра), иногда применяют постаммонизацию, когда аммиак вводят после хлора непосредственно в резервуары с чистой водой. Благодаря этому хлор фиксиру­ется дольше, чем достигается увеличение продолжительности его действия.

Комбинированные способы хлорирования воды. Кроме рассмотренных методов хлорирования воды, предложен ряд комбинированных, когда вместе с хлорсодержащими соединениями используют еще один химический или фи­зический дезинфицирующий агент, что повышает эффект обеззараживания. Хлорирование можно комбинировать с обработкой воды солями серебра (хлор-серебряный метод), калия перманганатом (хлорирование с манганированием), озоном или ультрафиолетом, ультразвуком и т. п.

Хлорирование с манганированием (с добавлением раствора КМп0₄) ис­пользуют при необходимости усиления окислительного и бактерицидного дей­ствия хлора, так как калия перманганат более сильный окислитель. Способ сле­дует применять при наличии в воде запахов и привкусов, которые обусловле­ны органическими веществами, водорослями. При этом калия перманганат вво­дят до хлорирования. Добавлять КМп0₄ следует перед отстойниками в дозах 1—5 мг/л или перед фильтрами в дозе 0,08 мг/л. Восстанавливаясь до нераство­римого в воде Мп0₂, он полностью задерживается в отстойниках и на фильтрах.

Хлорсеребряный метод используют на судах речного флота (на установ­ках КВУ-2 и УКВ-0,5). Он обеспечивает усиленное обеззараживание воды и ее консервацию на длительный срок (до 6 мес) при добавлении ионов серебра в количестве 0,05—0,1 мг/л.

Кроме того, хлорсеребряный метод используют для обеззараживания во­ды в плавательных бассейнах, где необходимо по мере возможности снизить дозу хлора. Это возможно потому, что бактерицидное действие обеспечивает­ся в пределах суммарного эффекта доз хлора и серебра.

Бактерицидное, вирулицидное и окислительное действие хлора может быть усилено за счет одновременного воздействия ультразвуком, ультрафио­летовым излучением, постоянным электрическим током.

Критерии обеззараживания воды хлором. Контроль за эффективностью хлорирования воды проводят на водопроводных станциях по косвенным пока­зателям, которые свидетельствуют об эпидемической безопасности воды. Ги­гиенические требования к качеству питьевой воды после обеззараживания по микробиологическим и паразитологическим показателям приведены в табл. 4 (см. с. 100).

Пробы воды отбирают после резервуаров чистой воды перед подачей в во­допроводную сеть. Контроль эффективности хлорирования по остаточному активному хлору осуществляют ежечасно, то есть 24 раза в сутки. Хлорирова­ние считается эффективным, если содержание остаточного свободного хлора находится в пределах 0,3—0,5 мг/л через 30 мин контакта, или содержание оста­точного связанного хлора составляет 0,8—1,2 мг/л через 60 мин контакта.

По микробиологическим показателям эпидемической безопасности воду после РЧВ исследуют дважды в сутки, то есть 1 раз в 12 ч. В воде после обезза-

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

раживания определяют общее микробное число и индекс БГКП (коли-индекс). Обеззараживание воды считается эффективным, если коли-индекс не превы­шает 3, а общее микробное число — не более 100.

Отрицательные последствия хлорирования воды для здоровья насе­ления. В результате реакции хлора с гуминовыми соединениями, продуктами жизнедеятельности гидробионтов и некоторыми веществами промышленного происхождения образуются десятки новых чрезвычайно опасных галоформ-ных соединений, в том числе канцерогены, мутагены и высокотоксичные ве­щества с ПДК на уровне сотых и тысячных миллиграмма на 1 л. В табл. 3 и 5 (см. с. 66, 67, 101) приведены некоторые галогенсодержащие соединения, осо­бенности их действия на организм человека, гигиенические нормативы в питье­вой воде. Индикаторами этой группы являются тригалометаны: хлоро- и бро-моформ, дибромхлорметан, бромдихлорметан. В обеззараженной питьевой воде и воде горячего водоснабжения чаще всего и в более высоких концентрациях выявляют хлороформ — канцероген группы 2Б, по классификации МАИР.

Галоформные соединения поступают в организм с водой не только энте-рально. Некоторые вещества проникают через неповрежденную кожу во время контакта с водой, в частности при плавании в бассейне. Во время приема ван­ны или душа галоформные соединения попадают в воздух. Аналогичный про­цесс происходит в процессе кипячения воды, белья, приготовления пищи.

С учетом чрезвычайной опасности для здоровья человека галоформных со­единений разработан комплекс мероприятий по снижению их уровней в воде. Он предусматривает:

• охрану источника водоснабжения от загрязнения сточными водами, ко­торые содержат предшественники галоформных соединений;

• снижение эвтрификации поверхностных водоемов;

• отказ от перехлорирования (первичного хлорирования) или его замену ультрафиолетовым облучением или добавление меди сульфата;

• оптимизацию коагуляции для снижения цветности воды, то есть удале­ние гуминовых веществ (предшественников галоформных соединений);

• использование дезинфектантов, имеющих меньшую способность к об­разованию галоформных соединений, в частности хлора диоксида, хлораминов;

• использование хлорирования с преаммонизацией;

• аэрацию воды или использование гранулированного активированного угля в качестве наиболее эффективного способа удаления галоформных соеди­нений из воды.

Кардинальным решением проблемы является замена хлорирования озони­рованием и обеззараживанием воды УФ-лучами.

Озонирование воды и его преимущества перед хлорированием.Озони­рование является одним из перспективных методов обработки воды с целью ее обеззараживания и улучшения органолептических свойств. Сегодня почти 1000 водопроводных станций в Европе, преимущественно во Франции, Герма­нии и Швейцарии, используют озонирование в технологической схеме обрабо­тки воды. В последнее время озонирование начали широко внедрять в США и Японии. В Украине озонирование используют на Днепровской водопроводной

Рис.25. Технологическая схема озонаторной установки:

1 — воздухоприемник; 2 — воздушный фильтр; 3 — предупредительный клапан; 4 — пять приточных вентиляторов; 5 — воздушный вантуз; 6 — два охлаждаемых сушителя; 7 — четыре адсорбционные суш­ки; 8 — активированный глинозем; 9 — охлаждение нагревателей вентилятора; 10 — пятьдесят генера­торов озона (изображено 2); 11 — сухой воздух; 12 — впуск охлаждающей воды; 13 — выпуск охлажда­ющей воды; 14 — озонированный воздух; 15 — три резервуара для диффузии озона; 16 — уровень воды

станции Киева, в странах СНГ — на водопроводных станциях Москвы (Рос­сийская Федерация) и Минска (Беларусь).

Озон (Os) — газ бледно-фиолетового цвета, обладающий специфическим запахом, сильный окислитель. Молекула его весьма неустойчива, легко распа­дается (диссоциирует) на атом и молекулу кислорода. В промышленных усло­виях озоно-воздушную смесь получают в озонаторе с помощью "медленного" электрического разряда при напряжении 8000—10 000 В.

Принципиальная схема озонаторной установки приведена на рис. 25. Ком­прессор забирает воздух, очищает от пыли, охлаждает, сушит на адсорберах с силикагелем или активным алюминия оксидом (которые регенерируют про­дуванием горячим воздухом). Далее воздух проходит через озонатор, где обра­зуется озон, который через распределительную систему подается в воду кон­тактного резервуара. Доза озона, необходимая для обеззараживания, для боль­шинства типов воды составляет 0,5—6,0 мг/л. Чаще всего для подземных водоисточников дозу озона принимают в пределах 0,75—1,0 мг/л, для поверх­ностных вод — 1—3 мг/л. Иногда для обесцвечивания и улучшения органо-лептических свойств воды необходимы высокие дозы. Продолжительность кон­такта озона с водой должна быть не менее 4 мин¹. Косвенным показателем

В соответствии с ГОСТом 2874-82 продолжительность обеззараживания воды с помощью озона составляла не менее 12 мин. Такая же продолжительность регламентируется и утвержден­ным МЗ России СанПиНом 2.1.4.559-96 "Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества". В соответствии с СанПиН "Вода питьевая. Гигиенические требования к качеству воды централизованного хо­зяйственно-питьевого водоснабжения", утвержденным МЗ Украины, продолжительность обра­ботки озоном должна быть не менее 4 мин.

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

эффективности озонирования является наличие остаточных количеств озона на уровне 0,1—0,3 мг/л после камеры смешения.

Озон в воде распадается, образуя атомарный кислород: 0₃ —> 0₂ + О". До­казано, что механизм распада озона в воде сложен. При этом происходит ряд промежуточных реакций с образованием свободных радикалов (например, НО*), которые также являются окислителями. Более сильное окислительное и бактерицидное действие озона по сравнению с хлором объясняется тем, что его окислительный потенциал больше, чем у хлора.

С гигиенической точки зрения, озонирование является одним из наилуч­ших методов обеззараживания воды. Вследствие озонирования достигается надежный обеззараживающий эффект, разрушаются органические примеси, а органолептические свойства воды не только не ухудшаются, как при хлори­ровании или кипячении, но и улучшаются: уменьшается цветность, исчезают лишние привкус и запах, вода приобретает голубой оттенок. Избыток озона быстро разлагается, образуя кислород.

Озонирование воды имеет следующие определенные преимущества пе­ред хлорированием:

1) озон является одним из самых сильных окислителей, его окислительно-восстановительный потенциал выше, чем у хлора и даже хлора диоксида;

2)при озонировании в воду не вносится ничего постороннего и не проис­ходит сколько-нибудь заметных изменений минерального состава воды и pH;

3)избыток озона через несколько минут превращается в кислород, и по­этому не влияет на организм и не ухудшает органолептические свойства воды;

4)озон, вступая во взаимодействие с соединениями, содержащимися в во­де, не вызывает появления неприятных привкусов и запахов;

5) озон обесцвечивает и дезодорирует воду, содержащую органические ве­щества природного и промышленного происхождения, придающие ей запах, привкус и окраску;

6) по сравнению с хлором озон эффективнее обеззараживает воду от спо­ровых форм и вирусов;

7) процесс озонирования в меньшей степени подвержен влиянию перемен­ных факторов (pH, температуры и т. п.), что облегчает технологическую эксп­луатацию водоочистных сооружений, а контроль за эффективностью не слож­ней, чем при хлорировании воды;

8) озонирование воды обеспечива