Хлорирование воды. Методы обеззараживание воды.

В среднем человек потребляет в сутки около 2,5 л воды. В идеальном варианте она вообще не должна содержать микроорганизмов, не говоря уже о патогенных. Однако в современных условиях практически все природные воды, включая подземные, содержат значительное количество микроорганизмов и, за редким исключением, требуют доведения до стандарта питьевой воды. Поэтому подавляющая часть природных вод перед подачей потребителю нуждается в обеззараживании.

Обеззараживание, как метод водоподготовки, затрагивает интересы не только гигиенистов, но и микробиологов, химиков, физиков, инженеров, других специалистов, т.е. является комплексной проблемой. Однако некоторые способы этого процесса могут проявляться негативным действием самих обеззараживающих агентов, либо их побочных продуктов, дающих канцерогенный, мутагенный и другие неблагоприятные эффекты. Сказанное выводит на первый план гигиеническую оценку современных методов обеззараживания питьевой воды.

Большинство исследователей условно подразделяют существующие методы обеззараживания на реагентные (химические), безреагентные (физические) и комбинированные. К химическим методам относится хлорирование, озонирование, использование перекиси водорода, ионов тяжелых металлов, в частности, серебра и меди, применение йода и других препаратов. Первые два метода получили широкое распространение на крупных водопроводах, другие же способы чаще всего применяются для обеззараживания небольших объемов воды или же в полевых условиях. В общей сложности, для обеззараживания воды чаще всего применяются химические метолы

Химические методы.

Хлорирование.В настоящее время хлорирование является наиболее распространенным способом, как в нашей стране, так и за рубежом. Оно осуществляется либо газообразным хлором, либо препаратами, содержащими активный хлор: хлорной известью, гипохлоритами, хлораминами, двуокисью хлора, На крупных водопроводах, как правило, применяется газообразный хлор, куда он доставляется в баллонах в сжиженном состоянии, а перед обеззараживанием – переводится в газообразное.

Хлорная известь является соединением кальция с хлористоводородной и хлорноватистой кислотами и содержит до 35% активного хлора. При длительном хранении извести и на свету его количество снижается. Гипохлориты являются натриевыми и калиевыми солями хлорноватистой кислоты, производят их при электролизе поваренной соли на специальных установках. Двуокись хлора является газом и обладает особо сильным бактерицидным эффектом. При температуре ниже 11⁰С – взрывоопасна, ввиду чего ее применение ограничено.

Понятие активного хлора во всех случаях обусловлено присутствием хлорноватистой кислоты (НОСl) и гипохлорит-иона (ОСl), который образуется при гидролизе хлора и его соединений.

Более активным бактерицидным действием обладает хлорноватистая кислота, которая обычно нестойка и при разложении образует менее активный гипохлорит-ион. Однако при снижении показателя рН разложение кислоты также уменьшается и бактерицидный эффект при этом наиболее сильный.

Уже при первых опытах обеззараживания воды хлором было замечено, что его определенная часть поглощается не только микроорганизмами, но и другими веществами, присутствующими в воде. Это явление было названо хлорпоглощаемостью или хлорпотребностью. Для оптимального бактерицидного эффекта вводимая в воду доза хлора должна не только превышать количество поглощаемого препарата, но и составлять некоторый избыток, называемый остаточным хлором.По количеству остаточного хлора после определенного времени воздействия судят о необходимом бактерицидном эффекте.

При обеззараживании остаточный хлор присутствует в воде в свободном и связанном виде. Активность свободного хлора более чем в два раза выше, нежели связанного. При этом величина и вид остаточного хлора зависят от введенной дозы препарата. По завершении обеззараживания в воде присутствует остаточный хлор, как в свободном, так и в связанном виде. Оптимальной является такая доза хлора, когда после 30 мин. воздействия в воде присутствует остаточный свободный хлор в концентрации 0,3 - 0,5 мг/л или же после 60 мин. воздействия -остаточный связанный хлор в концентрации 0,8 - 1,2 мг/л.

Суперхлорированиеобычно применяют в очагах эпидемий, после чего удаляют избыток хлора аэрацией, связыванием хлора гипосульфитом натрия или сорбцией активированным углем. Все это увеличивает экономические затраты на получение питьевой воды.

Безопасность остаточных концентрации хлора в воде не вызывает сомнения.В целом остаточные количества хлора в питьевой воде малотоксичны. Показательно, что хлор раздражает слизистые оболочки лишь в концентрациях свыше 10 мг/л, что значительно выше допустимых СанПиНом пределов. Однако в конце ХХ века в литературе появились сообщения, что при хлорировании питьевой воды в ней образуются галогеносодержащие соединения. Они обладают токсичностью, а также проявляют явно выраженные отдаленные эффекты – канцерогенный, мутагенный, эмбриотоксический. К ним относится хлороформ, впервые включенный в стандарты питьевой воды для нормирования (новый СанПиН «Питьевая вода»).

По мнению большинства авторов, озонированиелишено многих недостатков, присущих хлорированию. Поэтому уже в середине ХХ века на Парижском водопроводе хлорирование воды было заменено ее озонированием. В это же время в г.Чикаго прошел Международный конгресс по озонированию воды, а в Москве, в 1956 г. этот вопрос рассматривался на Всесоюзной конференции. Само же бактерицидное действие озона при обработке воды было обнаружено еще в 90-х годах ХIХ века.

Озон– газ с острым характерным запахом. Для практических целей его получают искусственным путем на озонаторах. Озон всегда присутствует только в виде смеси с воздухом и развивает очень слабое давление. Поэтому его максимальные концентрации в воде весьма ограничены.

Озон является очень сильным окислителем. Это объясняет его нестойкость, так как при разложении он образует, как молекулярный, так и атомарный кислород: О₃ ® О₂ + О, а также другие свободные радикалы – сильнейшие окислители. По сравнению с хлором, бактерицидный эффект при озонировании воды наступает во много раз быстрее. Однако, ввиду более сильного окислительного потенциала, на окисление бактерий и органических примесей воды, озона затрачивается больше, нежели хлора.

По сравнению с хлором, обеззараживающее действие озона в 15 - 20 раз, а на споровые формы – до 600 раз сильнее. Он обладает также высоким вирулицидным эффектом в концентрациях 0,5 - 0,8 мг/л при экспозиции 12 мин. Показана также высокая эффективность озона при действии на патогенных простейших. Положительным моментом является наличие метода оперативного контроля за эффективностью обеззараживания.

Механизм обеззараживающего действия озона окончательно не выяснен. Считают, что озон угнетает ферменты бактерий и нарушает обменные процессы, что приводит к гибели микробной клетки. Другие авторы полагают, что озонирование вызывают необратимые изменения морфологии клеток и бактериальной ДНК.

В целом же озонирование является комплексной обработкой воды, так как приводит к обеззараживанию, обесцвечиванию и дезодорации. Показатель эффективности озонирования – остаточный озон, концентрация которого после обеззараживания, согласно СанПиНу, должна быть на уровне 0,1-0,3 мг/л.

К физическим методам обеззараживания питьевой воды относятся: ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение, ультразвук, электрические разряды, термическая обработка. Эти методы, по сравнению с химическими, обладают рядом преимуществ:

1. Не изменяют состав и свойства обеззараживаемой воды.

2. Не требуют транспортировки и хранения реагентов.

3. Не представляют опасности токсического действия.

4. Обладают быстрым обеззараживанием.

Ультрафиолетовое излучение подразделяется на области оптического спектра, обладающие разной степенью биологического воздействия (УФИ-А, УФИ-В, УФИ-С). На бактерии наиболее сильно влияет коротковолновая область УФИ-С (200-280 мкм). Согласно данным экспертов ВОЗ, пик воздействия на бактерии оказывают волны длиной 265 мкм. Считают, что основной мишенью таких лучей является ДНК.

Вместе с тем, антимикробный эффект всецело зависит от степени чистоты обрабатываемой воды (мутность, цветность), вида микроорганизмов, их количества и дозы излучения. Важным моментом является также отсутствие надежного оперативного контроля за эффективностью обеззараживания и эффекта последействия, что сопряжено с возможным вторичным ростом бактерий. Кроме того, некоторые микроорганизмы приобретают устойчивость к УФИ, ввиду чего возможна реактивация.

Облучение проводится путем размещения ртутно-кварциевых ламп над поверхностью воды, а также в толще ее потока. Поэтому различают погружные и не погружные источники облучения. Для этого созданы специальные установки. Необходимый поток бактерицидного излучения определяется расчетным путем.

Ультрафиолетовые лучи воздействуют на бактерии не непосредственно, а через слой воды. Сами бактерии при этом могут находиться не в свободном состоянии, а внутри взвеси, то есть защищены от излучения. Мутность и цветность воды также снижают бактерицидный эффект. Аналогичный результат происходит при повышенном содержании в воде железа. Кроме того, толщина слоя воды, куда проникает УФИ, также ограничена.

Поэтому обеззараживание воды УФ-излучением выбирают лишь при наличии низких мутности и цветности воды. Кроме того, бактерицидный эффект может быть получен при содержании в 1 л. воды не более 1000 кишечных палочек. Зачастую эти ограничения препятствуют широкому применению ультрафиолетового облучения для обеззараживания питьевой воды.

Впервые обеззараживающее действие ультразвука было показано Харвеем и Лумисом в 1928г., применять же его для обработки воды стали значительно позднее. Бактерицидный эффект, в основном, объясняется механическим разрушением бактерий, что установлено электронной микроскопией.

При воздействии ультразвука в течение 1 мин. гибнет до 90% кишечных палочек, за 2 мин. – 97%. Эффект действия при этом зависит от толщины обрабатываемого слоя воды. Так, в слое 1 см за 1 мин. отмирает 80% палочек, при толщине 8 см – всего 20%. Увеличению эффекта способствует также повышение мощности воздействия. При этом степень обеззараживания не зависит от мутности и цветности воды, а также от формы микроорганизмов.

В начале 70-х годов прошлого века в НИИ общей и коммунальной гигиены (г. Москва) стали разрабатывать метод обработки воды гамма-излучением. Этот метод также безреагентный, не меняющий природных качеств воды. При облучении воды быстро наступает гибель микроорганизмов и вода готова для питьевых целей. Гамма-лучи мало поглощаются водой, поэтому они пригодны для обеззараживания больших объемов воды.

Самым простым и наиболее древним методом обеззараживания питьевой воды является ее термическая обработка, чаще всего – кипячение. В течение нескольких минут кипячения гибнут вегетативные формы микроорганизмов, их споры инактивируются за более длительное время. Самый главный фактор – гибель бактерий и вирусов необратима, что исключает их реактивацию, а следовательно – контроль ха эффективностью обеззараживания. Надежность этого метода совершенно не зависит от показателей воды, однако он требует значительных затрат энергии, в силу чего чаще всего применяется в домашних условиях, на автономных объектах, а также при эпидситуациях.

К числу физических методов обеззараживания воды следует отнести ее фильтрацию. Она проста, экономична в эксплуатации и не ухудшает физико-химические показатели обрабатываемой воды. Вместе с тем, на очистных сооружениях водопроводов любые фильтры, даже медленные, не дают необходимой степени освобождения от микроорганизмов, и после этого требуется традиционное химическое обеззараживание. Почти полная очистка от всех микроорганизмов достигается использованием, разработанных в последние годы, индивидуальных фильтров, которые невелики по размеру и чаще всего встраиваются в питьевые кружки емкостью 1-2 л. Однако изготовление таких кружек-фильтров, как правило, преследует, преимущественно, коммерческие цели, а их высокая стоимость ограничивает широкое распространение среди населения. В Казахстане их реализация была даже включена в республиканскую программу «Чистая вода», о которой уже говорилось.

Среди физических факторов обеззараживания воды можно назвать применение электромагнитных полей и лазерного излучения, но эти методы еще находятся на стадии лабораторных разработок. Следовательно, все традиционные способы обеззараживания питьевой воды имеют недостатки, что заставляет искать новые пути в этом направлении.