Дезинфекция питьевой воды: проблемы и решения

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

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

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.

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”, 2^nd 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.

• К списку статей