vitold@bakhir.ru
+7 (495) 774-6226, +7 (495) 774-8668
Электрохимические системы и технологии Витольда Бахира

Дезинфекция питьевой воды: проблемы и решения

УДК: 621.357

Бахир В.М., д.т.н., профессор

ОАО “НПО ЭКРАН” МЗ РФ

Основные критерии качества питьевой воды, сформулированные в середине двадцатого века, состоят в следующем: питьевая вода должна быть безопасна в эпидемическом отношении, безвредна по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими свойствами. В настоящее время эти критерии приняты во всем мире. На их основе в различных странах создаются нормативные документы в области качества питьевой воды, в т.ч. в России — СанПиН 2.1.4.1074-01. Эти же критерии положены в основу Руководства по контролю качества питьевой воды, изданного Всемирной организацией здравоохранения в 1984 и 1994 гг. [1, 2].

При оценке степени риска здоровью в зависимости от природы нежелательных примесей в воде, наиболее важную роль играют микробиологические загрязнения. Так, исследования доктора Роберта Тардиффа [3, 4] (США) показали, что опасность заболеваний от микробиологических загрязнений воды во много тысяч раз выше (до 100 000 раз), чем при загрязнении воды химическими соединениями различной природы.

Эта оценка нагляднее всего проявляется в существующей практике дезинфекции питьевой воды в большинстве развитых стран. Например, в США 98,6% питьевой воды подвергается хлорированию. Озонирование составляет только 0,37%, остальные методы — 0,75% [5]. Причина состоит в том, что хлорирование — наиболее экономичный и эффективный метод обеззараживания питьевой воды в сравнении с любыми другими известными методами. Хлорирование обеспечивает микробиологичекую безопасность воды в любой точке распределительной сети в любой момент времени благодаря эффекту последействия. Все остальные методы обеззараживания воды, не исключая озонирование и ультрафиолет, не обеспечивают обеззараживающего последействия и, следовательно, требуют хлорирования на одной из стадий водоподготовки. Это правило не является исключением и для России, где все имеющиеся системы озонирования питьевой воды муниципальных водораспределительных сетей работают совместно с оборудованием для хлорирования.

Одним из недостатков хлорирования воды является образование побочных продуктов – галогенсодержащих соединений (ГСС), большую часть которых составляют тригалометаны (ТГМ): хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан и бромоформ. Образование тригалометанов обусловлено взаимодействием соединений активного хлора с органическими веществами природного происхождения. Процесс образования тригалометанов растянут во времени до нескольких десятков часов, а их количество при прочих равных условиях тем больше, чем выше рН воды. Поэтому применение гипохлорита натрия или кальция для дезинфекции воды вместо молекулярного хлора не снижает, а значительно увеличивает вероятность образования тригалометанов. Наиболее рациональным методом уменьшения побочных продуктов хлорирования является снижение концентрации органических веществ – предшественников тригалометанов на стадиях очистки воды до хлорирования.

В настоящее время предельно допустимые концентрации для веществ, являющихся побочными продуктами хлорирования, установлены в различных развитых странах в пределах от 0,06 до 0,2 мг/л и соответствуют современным научным представлениям о степени их опасности для здоровья. Научная дискуссия о способности этих веществ вызывать рак и проявлять мутагенную активность, длившаяся в США в течение многих лет, завершилась признанием их безопасности в указанном выше диапазоне концентраций [6-12].

Однако, безусловно, уменьшение концентрации побочных продуктов хлорирования, точно так же, как и побочных продуктов озонирования, представляющих гораздо большую опасность (см. таблицу 1), чем побочные продукты хлорирования, является одной из основных причин поиска новых технологий и средств обеззараживания питьевой воды.

В таблице 1 приведены сведения о достоинствах и недостатках известных основных и альтернативных методов и технологий обеззараживания воды.

Таблица 1.

Характеристики некоторых дезинфектантов воды

Наименование и характеристика дезинфектанта

Достоинства

Недостатки

Основные дезинфектанты

Хлор

Применяется в газообразном виде, требует соблюдения строжайших мер безопасности

  • эффективный окислитель и дезинфектант
  • эффективен для удаления неприятного вкуса и запахов
  • обладает последействием
  • предотвращает рост водорослей и биообрастаний
  • разрушает органические соединения (фенолы)
  • окисляет железо и магний
  • разрушает сульфид водорода, цианиды, аммиак и другие соединения азота
  • повышенные требования к перевозке и хранению
  • потенциальный риск здоровью в случае утечки
  • образование побочных продуктов дезинфекции — тригалометанов (ТГМ).
  • образует броматы и броморганические побочные продукты дезинфекции
    в присутствии бромидов

Гипохлорит натрия

Применяется в жидком виде (товарная концентрация растворов — 10 -12%),
возможно получение на месте применения электрохимическим способом.

  • эффективен против большинства болезнетворных микроорганизмов
  • относительно безопасен при хранении и использовании
  • при получении на месте не требует транспортировки и хранения опасных
    химикатов.
  • неэффективен против цист (Giardia, Cryptosporidium)
  • теряет активность при длительном хранении,
  • потенциальная опасность выделения газообразного хлора при хранении
  • образует побочные продукты дизинфекции, включая тригалометаны, в
    том числе бромоформ и броматы в присутствии бромидов
  • при получении на месте требует либо немедленного использования, либо,
    для обеспечения возможности хранения, специальных мер по очистке исходной
    воды и соли от ионов тяжелых металлов;
  • при хранении растворов NaClO с концентрацией активного хлора более
    450 мг/л и рН более 9 происходит накопление хлоратов

Диоксид хлора

Получают только на месте применения. В настоящее время считается самым
эффективным дезинфектантом из хлорсодержащих реагентов для обработки воды
при повышенных рН.

  • работает при пониженных дозах
  • не образует хлораминов
  • не способствует образованию тригалометанов
  • разрушает фенолы — источник неприятного вкуса и запаха
  • эффективный окислитель и дезинфектант для всех видов микроорганизмов,
    включая цисты (Giardia, Cryptosporidium) и вирусов
  • не образует броматов и броморганических побочных продуктов дезинфекции
    в присутствии бромидов
  • способствует удалению из воды железа и магния путем их быстрого окисления
    и осаждения оксидов
  • обязательно получение на месте применения
  • требует перевозки и хранения легковоспламеняющихся исходных веществ
  • образует хлораты и хлориты
    • в сочетании с некоторыми материалами и веществами приводит к
      проявлению специфического запаха и вкуса

Хлорамин

Образуется при взаимодействии аммиака с соединениями активного хлора,
используется как дезинфектант пролонгированного действия

  • обладает устойчивым и долговременным последействием
  • способствует удалению неприятного вкуса и запаха
  • снижает уровень образования тригалометанов и других хлорорганических
    побочных продуктов дезинфекции
  • предотвращает образование биообрастаний в
    системах распределения
  • слабый дезинфектант и окислитель по сравнению с хлором
  • неэффективен против вирусов и цист (Giardia, Cryptosporidium)
  • для дезинфекции требуются высокие дозировки и пролонгированное время
    контакта
  • представляет опасность для больных, пользующихся диализаторами, т.к.
    способен проникать сквозь мембрану диализатора и поражать эритроциты
  • образует азотсодержащие побочные продукты

Альтернативные дезинфектанты

Озон

Используется на протяжении нескольких десятков лет в некоторых европейских
странах для дезинфекции, удаления цвета, улучшения вкуса и устранения
запаха

  • сильный дезинфектант и окислитель
  • очень эффективен против вирусов
  • наиболее эффективен против Giardia, Cryptosporidium, а также любой
    другой патогенной микрофлоры
  • способствует удалению мутности из воды
  • удаляет посторонние привкусы и запахи
  • не образует хлорсодержащих тригалометанов
  • образует побочные продукты, включающие: альдегиды, кетоны, органические
    кислоты, бромсодержащие тригалометаны (включая бромоформ), броматы (в
    присутствии бромидов), пероксиды, бромуксусную кислоту
  • необходимость использования биологически активных фильтров для удаления
    образующихся побочных продуктов
  • не обеспечивает остаточного дезинфицирующего действия
  • требует высоких начальных затрат на оборудование
  • значительные затраты на обучение операторов и обслуживание установок
  • озон, реагируя со сложными органическими соединениями, расщепляет
    их на фрагменты, являющиеся питательной средой для микроорганизмов в
    системах распределения воды

Ультрафиолет

Процесс заключается в облучении воды ультрафиолетом, способным убивать
различные типы микроорганизмов.

  • не требует хранения и транспортировки химикатов
  • не образует побочных продуктов
  • эффективен против цист (Giardia, Cryptosporidium)
  • нет остаточного действия
  • требует больших затрат на оборудование и техническое обслуживание
  • требует высоких операционных (энергетических) затрат
  • дезинфицирующая активность зависит от мутности воды, ее жесткости
    (образования отложений на поверхности лампы), осаждения органических
    загрязнений на поверхности лампы, а также колебаний в электрической
    сети, влияющих на изменение длины волны.
  • отсутствует возможность оперативного контроля эффективности обеззараживания
    воды

Анализ этих данных позволяет увидеть, что среди известных методов нет идеального,
точно так же, как не существует рецепта “идеальной” питьевой воды при всей важности
влияния ее состава на здоровье человека. Очевидно, что состав и свойства питьевой
воды определяются географическими, геологическими, климатическими, гидрологическими
условиями и региональными различиями в степени и характере хозяйственного освоения
территории. Поэтому регламентация качества питьевой воды в развитых странах
основана на достоверных, научно обоснованных нормативах ее микробиологического
(приоритетный показатель) и химического состава с позиций безопасности и безвредности
для человека и определяет порядок контроля качества подаваемой населению воды,
наиболее полно учитывающий региональные условия формирования и состав воды источника,
а также применяемые методы водоподготовки и доставки воды потребителям.

Для современных технологий дезинфекции воды наиболее важной задачей является
поиск метода, объединяющего лучшие качества известных дезинфектантов (таблица
1) и устраняющего их отрицательные качества.

К таким методам относится технология дезинфекции воды раствором оксидантов,
вырабатываемым в установках АКВАХЛОР [13, 14].

В установках типа АКВАХЛОР впервые решены вопросы рационального сочетания
положительных свойств известных оксидантов – хлора, диоксида хлора и озона и
устранены отрицательные моменты, присущие каждому из названных реагентов в отдельности,
т.е., исключено образование побочных продуктов хлорирования и озонирования.
Установки АКВАХЛОР являются альтернативным и безопасным в эксплуатации источником
хлора и могут использоваться в качестве замены баллонов и контейнеров с жидким
хлором на станциях очистки воды хозяйственно-питьевого водоснабжения любой производительности,
на сооружениях очистки бытовых и промышленных сточных вод, в системах очистки
воды плавательных бассейнов.

Принцип работы установок АКВАХЛОР состоит в электрохимическом синтезе влажной
газообразной смеси оксидантов — хлора, диоксида хлора и озона из водного раствора
хлорида натрия концентрацией 200 – 250 г/л под давлением в диафрагменных модульных
электрохимических элементах ПЭМ-7, каждый из которых является отдельной ячейкой
электрохимического реактора.

Блок-схема установки АКВАХЛОР приведена на рис. 1.

В анодные камеры электрохимического реактора установки дозированно под давлением
подается исходный раствор хлорида натрия. Благодаря особенностям конструкции
элементов ПЭМ-7, при перепаде давления на диафрагме от 0,5 до 1,0 кгс/см2
осуществляется электродиффузионный отбор ионов натрия и воды через керамическую
диафрагму, в результате чего происходит полное разделение раствора хлорида натрия
на газообразные продукты, удаляемые из анодной камеры и раствор гидроксида натрия
концентрацией 120 – 150 г/л, образующийся в катодной камере. Полученные в анодной
камере газообразные оксиданты вместе с микрокапельками воды, содержащими гидропероксидные
оксиданты – синглетный кислород, пероксид и супероксид водорода, поступают в
эжекторый смеситель установки, где растворяются в обрабатываемой воде в пределах
от 0,5 до 2,0 г/л (в среднем около 1 грамма оксидантов на 1 литр воды). В катодных
камерах электрохимических элементов ПЭМ-7, кроме раствора гидроксида натрия,
образуется водород из расчета 1,4 г на 100 г газообразных оксидантов. Для получения
1 килограмма оксидантов в установках АКВАХЛОР расходуется не более 1,7 – 2,0
кг сухого хлорида натрия и около 2 кВт-ч электроэнергии.

В электрохимическом реакторе установок АКВАХЛОР основной является реакция
выделения молекулярного хлора и образования гидроксида натрия:

NaCl + H2O – e ®
NaOH + 0,5 H2 + 0,5 Cl2

Одновременно с меньшим выходом по току протекают реакции синтеза диоксида хлора
непосредственно из солевого раствора, а также из соляной кислоты, которая образуется
при растворении молекулярного хлора в прианодной среде (Cl2 +
H2O « HClO +
HCl):

2NaCl + 6H2O – 10e ®
2ClO2 + 2NaOH + 5 H2 ;

HCl + 2H2O 5e ®
ClO2 + 5 H+ .

Кроме того, в анодной камере происходит образование озона за счет прямого разложения
воды и за счет окисления выделяющегося кислорода:

3H2O 6e ®
O3 + 6H+ ;

2H2O 4e ®
4H+ + O2; Þ
O2 + Н2О 2e ® O3 + 2 Н+ .

С очень небольшим выходом по току протекают реакции образования соединений
активного кислорода:

H2O 2e ®
2H+ + O·
; Н2О е ®
HO· +
Н+ ; 2H2O
3e ® HO2 +
3H+ .

В отличие от традиционных технологий получения хлора – ртутного, диафрагменного
электролиза и электролиза с ионообменной мембраной, технология получения газообразной
смеси оксидантов в установке АКВАХЛОР не требует подкисления исходного раствора
хлорида натрия, не нуждается в дополнительном расходовании воды и химических
реагентов, позволяет осуществить разделение хлоридного раствора на необходимые
продукты за один цикл обработки в электрохимическом реакторе, т.е. является
принципиально новой.

Основным целевым конечным продуктом установок АКВАХЛОР является водный
0,1%-ный раствор смеси оксидантов (хлора, диоксида хлора, озона), предназначенный
для обеззараживания воды хозяйственно-питьевого назначения, промышленных и бытовых
сточных вод и воды плавательных бассейнов.

Водный раствор оксидантов представляет собой бесцветную прозрачную жидкость
с рН = 2,5 ± 0,5, с запахом хлора. Газообразная смесь оксидантов, синтезируемая
в установке АКВАХЛОР, состоит из молекулярного хлора (90 – 95%), диоксида хлора
(3 – 7 %) и небольшого количества озона (0,5 – 3,0 %). Также в газообразной
смеси оксидантов содержится 0,5 – 1,5 % чрезвычайно активного оксиданта — синглетного
кислорода и микрокапельки влаги с гидропероксидными и хлоркислородными оксидантами
– продуктами электрохимических реакций в анодной камере, работающей при повышенном
давлении в условиях ионселективного электродиффузионного отбора ионов натрия
из исходного раствора хлорида натрия через керамическую диафрагму электрохимических
модульных элементов.

Соответственно, основными действующими антимикробными веществами в растворе
оксидантов являются хлорноватистая кислота, которая образуется в процессе взаимодействия
хлора с водой при его растворении, а также растворенный хлор и диоксид хлора.
Эти вещества составляют более 98 % всех содержащихся в растворе оксидантов при
их общей концентрации равной 1 г/л. Достоинства и недостатки раствора оксидантов,
вырабатываемого установками АКВАХЛОР, показаны в таблице 2.

Производительность установки АКВАХЛОР регулируется изменением силы тока.
Предусмотрена возможность мгновенной остановки процесса и мгновенного его запуска.

Установки АКВАХЛОР имеют сертификат соответствия РФ, а производимый ими
раствор оксидантов – санитарно-эпидемиологическое заключение Госсанэпиднадзора
РФ. Применение раствора оксидантов, вырабатываемого установками АКВАХЛОР, в
целях дезинфекции воды хозяйственно-питьевого водоснабжения, бытовых и промышленных
сточных вод и воды плавательных бассейнов, регламентировано Инструкцией, утвержденной
Госсанэпиднадзором РФ. Установки АКВАХЛОР производятся серийно в двух основных
модификациях: АКВАХЛОР-100 и АКВАХЛОР-500 производительностью 100 и 500 граммов
оксидантов в час соответственно (ТУ 3614-702-05834388-02, ОКП 36 1469). Блок
электрохимических реакторов установки АКВАХЛОР-500 выполнен в виде модуля, что
позволяет достигать любой необходимой производительности по оксидантам путем
объединения указанных модулей в единую гидравлическую систему.

Производительность установок АКВАХЛОР-100 и АКВАХЛОР-500 по раствору оксидантов
составляет соответственно 100 и 500 литров в час.

Безопасная эксплуатация установок АКВАХЛОР и отсутствие риска отравления обслуживающего
персонала и окружающей среды неконтролируемым выбросом хлора гарантированы малым
объемом газообразных оксидантов (менее 200 мл), которые под небольшим давлением
(около 1 кгс/см2) во время работы установки протекают по трубопроводу
внутри установки через регулятор давления газа и поступают в эжекторный смеситель,
где растворяются в небольшом объеме обрабатываемой воды, превращаясь таким образом
в аналог хлорной воды.

Таким образом, по сумме имеющихся сравнительных данных технология хлорирования
с применением установок АКВАХЛОР имеет очевидные преимущества по критериям охраны
и гигиены труда, экологической безопасности и экономичности данного метода обеззараживания
воды и минимизации суммы сопряженных рисков.

Раствор оксидантов, полученный в установках АКВАХЛОР, смешивают с дезинфицируемой
водой в пропорции, обеспечивающей начальный заданный уровень содержания оксидантов
в соответствии с технологией обработки воды свободным (газообразным или жидким)
хлором. При этом гидропероксидные соединения, озон и диоксид хлора вступают
в реакции взаимодействия с веществами, содержащимися в воде, и распадаются в
течение первых 5 – 10 минут. Основным дезинфицирующим веществом в воде, обеспечивающим
последействие раствора оксидантов, является хлорноватистая кислота (HClO), наличие
которой гарантирует обеззараживание воды в полном соответствии с известными
технологическими процессами применения жидкого или газообразного хлора. Наличие
в растворе оксидантов озона и гидропероксидных соединений обеспечивает отсутствие
побочных продуктов хлорирования и озонирования, что подтверждено целым рядом
экспериментальных исследований в процессе практической эксплуатации установок
АКВАХЛОР на станциях водоподготовки питьевой воды, а также на станциях очистки
сточных вод.

Раствор гидроксида натрия (каустической соды) целесообразно использовать
для приготовления растворов коагулянтов, а также в качестве эффективного моющего
средства (необходимо разбавление).

Концентрацию оксидантов в растворе, вырабатываемом установками АКВАХЛОР
следует определять с помощью стандартных методов, применяемых в технологии хлорирования
воды.

Количество вырабатываемых установками АКВАХЛОР оксидантов также возможно определять
расчетным путем, исходя из прямой зависимости между эффективной силой тока,
протекающего через электрохимические реакторы установки АКВАХЛОР и количеством
образующихся оксидантов.

Установки АКВАХЛОР рекомендуется устанавливать и эксплуатировать в стандартном
помещении хлораторной или в любом другом проветриваемом помещении. Их габаритные
размеры в эквиваленте производительности по хлору сопоставимы с размерами, занимаемыми
емкостями для хранения жидкого хлора. Образующийся при получении раствора оксидантов
водород отводится по отдельному трубопроводу за пределы помещения для рассеивания
в атмосфере.

Таблица 2.

Характеристика нового альтернативного дезинфектанта воды
– раствора оксидантов из установки АКВАХЛОР

Наименование и характеристика дезинфектанта

Достоинства

Недостатки

Раствор оксидантов из установки АКВАХЛОР

Электрохимический синтез из раствора хлорида натрия влажной газообразной
смеси оксидантов – хлора, диоксида хлора, озона, гидропероксидных соединений

  • работает при пониженных дозах
  • не образует хлораминов
  • не способствует образованию тригалометанов
  • разрушает фенолы — источник неприятного вкуса и запаха
  • эффективный окислитель и дезинфектант для всех видов микроорганизмов,
    включая цисты (Giardia, Cryptosporidium) и вирусов
  • не образует броматов и броморганических побочных продуктов дезинфекции
    в присутствии бромидов
  • способствует удалению из воды железа и магния путем их быстрого окисления
    и осаждения оксидов
  • способствует удалению мутности из воды
  • удаляет посторонние привкусы и запахи
  • не требует транспортировки и хранения опасных химикатов
  • требует наличия электроэнергии, напорной линии подачи воды
  • требует небольшого расхода соляной кислоты для очистки электродов
    при использовании соли низкого качества (с большим содержанием ионов
    кальция, магния и железа), либо системы химического, например, бикарбонатом
    натрия, умягчения исходного раствора хлорида натрия

Обеззараживание воды хозяйственно-питьевого назначения раствором оксидантов,
вырабатываемым установками АКВАХЛОР, осуществляется в соответствии с требованиями
СанПиН 2.1.4.1074-01.

При необходимости борьбы с биологическими обрастаниями в водопроводной сети места введения и дозы хлора согласовываются с санитарно-эпидемиологическими службами. На этапе подконтрольной эксплуатации конкретных систем подачи воды потребителю отрабатывается доза хлора, подаваемая в распределительную систему и гарантирующая конечный технологический эффект: обеззараживание воды до нормы в соответствии с требованиями СанПиН 2.1.4.1074-01.

Источники информации:

  1. Руководство по контролю качества питьевой воды. Т. 1-3. Гигиенические критерии
    и другая релевантная информация.-ВОЗ. — Женева, 1984 — 1987.
  2. Руководство по контролю качества питьевой воды. Т. 1. Рекомендации. — ВОЗ.
    — Женева, 1994. — 255 с.
  3. Tardiff,R.G. 1993. Balancing Risks from Chemical Carcinogens at Waterborne
    Infectious Microbes: A Conceptual Framework. Report prepared for EPA Advisory
    Committee to Negotiate the Disinfection By-products Rule.
  4. Tardiff,R.G. 1993. Balancing Chemical and Microbial Risks: Weight-of-Evidence
    for Cancer Risks of Chlorine Disinfection of Drinking Water. Report prepared
    for EPA Advisory Committee to Negotiate the Disinfection By-products Rule.
  5. American Water Works Association Journal. September 1992. Survey of Water
    Utility Disinfection Practices. Water Quality Disinfection Committee Report,
    p. 121-128.
  6. Epstein, S.S., “Understanding the Cause of Aging and Cancer”, Cancer Research,
    34, 2425-2435 (Oct. 1974)
  7. Ames, B.N., Gold, L.S., and Willett, W.C., “The Causes and Prevention of
    Cancer”, J. American Medical Association, Special Issue on Cancer, 1995.
  8. Ames, B.N., Profet, M., and Gold, L.S., “Nature’s Chemical and Synthetic
    Chemicals: Comparative Toxicology,” Proc. Natl. Acad. Sci USA, 87, 7782-7786
    (Oct. 1990)
  9. U.S. Environmental Protection Agency. 1991. Status Report on Development
    of Regulations for Disinfectants and Disinfection By-Products.
  10. U.S. Environmental Protection Agency. June 1996. National Drinking Water
    Program Redirection Strategy. EPA-810-R-96-003.
  11. Faust, S.D., Aly, O.M., “Chemistry of water treatment”, 2nd Edition,
    Lewis Publishers, L., NY, W. D.C., 1998, p.582
  12. Geo, Clifford White, “Handbook of chlorination and alternative disinfectants”,
    Fourth Edition, A Wiley-Interscience Publication
  13. Бахир В.М. Современные технические электрохимические системы для обеззараживания,
    очистки и активирования воды. –М.: ВНИИИМТ, 1999. – 84 с; — ил.
  14. Бахир В.М., Задорожний Ю.Г., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И.
    Электрохимическая активация: очистка воды и получение полезных растворов.
    — М.: ВНИИИМТ, 2001. — 176 с.; — ил.

Annotation:

All known disinfectants of potable water has both — advantages and disadvantages.
The most effective disinfectant which is free from disadvanages and combining
advantages of existing disinfectants is the solution of oxidants, produced in
new elecrochemical device Aquachlor.

Опубликовано в журнале “Питьевая вода”, №1, 2003.