К обоснованию методов обеззараживания природных вод

Аннотация

Обоснование метода обеззараживания природных вод связано с необходимостью оценки влияния множества факторов (качественный состав воды, свойства дезинфектантов и характеристики технических средств обеззараживания и пр.), а также проведения предварительных технологических испытаний по выбору дезинфектанта, отвечающего следующим требованиям: пролонгированное антимикробное действие; безопасность для человека и животных; отсутствие образования сопутствующих балластных солей, трансформируемых органических веществ, тригалогенметанов; экономическая выгода. Приведены результаты сравнительных исследований эффективности различных дезинфектантов для реагентной обработки воды рек Дона и Томи на экспериментальных стендах производительностью 1–1,5 м³/ч.

Ключевые слова

ультрафиолетовое облучение , природные воды , метод обеззараживания , хлороформ , хлорсодержащий реагент , ультразвук

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Выбор метода обеззараживания природных вод в полном цикле их подготовки для хозяйственно-питьевых целей зависит от степени бактериальной загрязненности воды, физико-химических и антимикробных свойств применяемых реагентов, технологических и энергетических характеристик технических средств.

Необходимость обеспечения санитарно-эпидемиологической безопасности питьевой воды в системах подачи и распределения, износ которых достигает в настоящее время ~ 65–70%, обусловливает обязательное обеззараживание воды хлорсодержащими реагентами на финишной стадии обработки. Традиционно применяются газообразный или жидкий хлор, а в последнее время гипохлорит натрия. В единичных случаях используют диоксид хлора, хлорамины. В последние годы в технической литературе развернулась острая дискуссия о необходимости замены хлора другими реагентами (гипохлоритом натрия, диоксидом хлора, раствором оксидантов). Однако при использовании жидкого хлора бесспорной является только проблема его безопасной транспортировки через населенные пункты и хранения на водоочистных станциях, расположенных в их черте [1–7].

Сложность обеспечения эпидемиологической безопасности систем водоснабжения обусловлена способностью патогенных и условно патогенных бактерий восстанавливать свою жизнедеятельность после обеззараживания [8]. За последние 15 лет устойчивость патогенной микрофлоры повысилась не только по отношению к хлору (в 5–6 раз), но и к действию ультрафиолетовых лучей (в 4 раза) и озона (в 2–3 раза). Поэтому современная мировая концепция в области повышения санитарно-гигиенической надежности методов обеззараживания воды предусматривает (при наличии патогенной микрофлоры, в частности колифагов) комплексное обеззараживание питьевой воды на финишной стадии обработки УФ-облучением или озоном с последующим хлорированием, обеспечивающим пролонгированное действие дезинфектанта в системе распределения и подачи воды в разветвленных водопроводных сетях большой протяженности.

Анализ результатов многочисленных исследований показывает, что в каждом конкретном случае, в зависимости от степени бактериального загрязнения и физико-химических свойств очищаемых водных суспензий, требуется предварительное проведение технологических изысканий по выбору и экономическому обоснованию наиболее рационального метода обеззараживания. Применительно к реагентным методам результат этих изысканий должен быть положен в основу выбора дезинфектанта, который отвечал бы следующим основным требованиям:

пролонгированное антимикробное действие;
безопасность для человека и животных в течение всего периода приготовления, применения и возможной биодеградации в живых организмах;
отсутствие образования сопутствующих балластных солей и трансформируемых органических веществ;
отсутствие интенсивного образования тригалогенметанов в воде, содержащей большое количество органических загрязнений, что является важным фактором при возросших требованиях к их концентрации в питьевой воде [9];
экономическая выгода по сравнению с другими реагентами.

Натурные сравнительные испытания позволяют не только оценить антимикробные свойства используемых реагентов по всему тракту движения воды (от входа на очистные сооружения до резервуаров чистой воды и далее, после подачи ее насосами второго подъема в распределительную водопроводную сеть), но и изучить их влияние на коагулируемость и флокуляцию коллоидных примесей и их последующую седиментацию [10]. Кроме того, такие испытания позволяют выявить динамику образования и трансформации тригалогенметанов по тракту движения воды до потребителя в зависимости от места ввода хлорсодержащего реагента перед разными сооружениями. Спектр разрешенных реагентов ограничен собственно жидким хлором [1; 4], диоксидом хлора [7], гипохлоритом натрия [2; 6] и раствором оксидантов, вырабатываемым в установках «Аквахлор», серийно производимых ООО «Лаборатория электротехнологии» (ООО «ЛЭТ») [3].

Результаты исследований зарубежных и отечественных специалистов на воде разных водоисточников показывают, что обеспечить выполнение требуемых нормативов по содержанию хлороформа в питьевой воде (до 60 мкг/л) можно следующими методами: снижением дозы первичного хлора до 1 мг/л; предварительной аммонизацией; дробным хлорированием по тракту движения воды технологической цепи сооружений и в промежуточных контактно-регулирующих резервуарах [11–14].

При первичном хлорировании высокоцветных вод доза хлорсодержащего реагента должна назначаться с учетом двух факторов – необходимости окисления органических веществ, обеспечивающего частичное снижение цветности, и предотвращения чрезмерного образования тригалогенметанов. При возможности снижения (с технологической точки зрения) первичных доз хлора или гипохлорита натрия до 1 мг/л необходимость в преаммонизации воды зачастую отпадает.

На станциях с двухступенчатой очисткой поверхностных вод, содержащих в теплые периоды года большое количество органических веществ, концентрация остаточного хлора в воде перед фильтрами оказывается недостаточной из-за большой хлорпоглощаемости в отстойниках. В этом случае приходится увеличивать дозу первичного хлора до 3–6 мг/л и более. При этом без предварительной аммонизации осуществить достижение нормативов по содержанию хлороформа и других тригалогенметанов в питьевой воде значительно труднее.

Исследования, выполненные на разных по физико-химическому и бактериологическому составу водах рек Дона и Томи, позволили сопоставить эффективность обеззараживания с использованием хлора (Cl₂), гипохлорита натрия (NaOCl), полученного химическим путем (ООО ПО «Химпром») и на электролизных установках НПФ «ЭКОФЕС», а также раствора оксидантов, получаемого на установке «Аквахлор».

В процессе исследований донской воды изучалась эффективность первичного обеззараживания, осуществляемого в местах водоотбора, как с последующей транспортировкой этой воды на дальние расстояния (до 18 км) к месту расположения очистных станций, так и непосредственно на входе в очистные сооружения перед вводом коагулянта и флокулянта. В первом случае вода из рукава Большая Каланча реки Дона обрабатывалась параллельно растворами гипохлорита натрия (производства НПФ «ЭКОФЕС») с концентрацией 0,5–0,6 г/л и дозами от 0,5 до 2,5 г/м³ по общему хлору и оксидантов (производства ООО «ЛЭТ») с концентрацией 0,8–1 г/л и аналогичными дозами.

После четырехчасового контакта воды с этими хлорсодержащими реагентами в резервуаре-смесителе, моделирующем процесс транспортировки воды по водоводам от насосной станции первого подъема до очистных сооружений, вода подвергалась санитарно-бактериальному анализу и оценке образования в ней летучих хлорорганических соединений. В результате анализов, выполненных в августе–сентябре 2008 г. в аттестованной лаборатории ОАО «ПО Водоканал» г. Ростова-на-Дону и в Центре гигиены и эпидемиологии Ростовской области, выявлено, что донская вода имела следующие показатели: мутность 6,4–9,6 мг/л, цветность 35–50 град, перманганатная окисляемость 3,9–4,4 мг/л, рН 7,7–8,1, общая жесткость 6,1–6,2 мг-экв/л, общая минерализация 656–724 мг/л, содержание фитопланктона до 30–40 млн. кл/л. Бактериальная загрязненность природной и подмутненной илом воды характеризовалась следующими показателями: общее микробное число (ОМЧ) – 130–300 КОЕ/мл, общие колиформные бактерии (ОКБ) – 430–93 КОЕ/100 мл, термотолерантные колиформные бактерии (ТКБ) – 210–900 КОЕ/100 мл, колифаги – 4–29 БОЕ/100 мл, споры сульфитредуцирующих бактерий – 5–20 ед/20 мл.

Исследования показали, что при одинаковой бактериальной загрязненности донской воды (рН 7,6–7,9) при первичном хлорировании в равных дозах (в пределах 2,5 мг/л) эффективность обеззараживания раствором оксидантов по ОМЧ, ОКБ, ТКБ и колифагам оказалась выше по сравнению с гипохлоритом натрия (табл. 1). Вода становилась безопаснее в бактериальном отношении после обработки раствором оксидантов и после фильтрования на фильтре с плавающей загрузкой первой и второй ступеней скорого фильтра. Вторичное хлорирование с дозами до 1 мг/л и обработка воды ультрафиолетовым облучением и ультразвуком обеспечивали полное обеззараживание воды в течение всего периода испытаний независимо от степени бактериальной загрязненности исходной воды и режимов реагентной обработки на очистных сооружениях. В то же время сопоставление эффективности обеззараживания воды на первой стадии ее обработки жидким хлором, гипохлоритом натрия и раствором оксидантов показало, что хлорирование воды жидким хлором не уступает, а в ряде случаев и превышает бактерицидную эффективность гипохлорита натрия и раствора оксидантов. Причем это превышение возрастает с увеличением степени бактериальной загрязненности исходной воды.

Сравнение действия гипохлорита натрия и раствора оксидантов по количеству галогенорганических соединений, образующихся после первичного и вторичного хлорирования донской воды, показало преимущество второго реагента (табл. 2, рис. 1).

Снижение общей продолжительности прохождения предварительно хлорированной воды через очистные сооружения за счет сокращения времени пребывания ее в механических камерах хлопьеобразования, отстойниках с тонкослойными модулями и фильтрах позволяет снизить содержание тригалогенметанов в воде перед вторичным хлорированием (рис. 2).

При первичном хлорировании воды р. Томи, осуществляемом на действующей станции, дозы жидкого хлора составляли от 1,48 до 3,38 мг/л по свободному остаточному хлору, хлорпоглощаемость воды – соответственно от 0,81 до 1,52 мг/л по остаточному хлору в смесителе.

Исследования, проведенные в 2009–2010 годах на воде реки Томи, показали, что ее бактериальная загрязненность в паводковые периоды (апрель–май 2010 г.) характеризуется значительным количеством ОКБ и ТКБ (от 1035 до 7000 КОЕ/100 мл). В отдельные сутки в воде, поступающей на экспериментальный стенд, помимо общего микробного числа фиксировалось наличие колифагов и спор сульфитредуцирующих клостридий.

В периоды низких значений мутности и цветности воды выбор режимов первичного хлорирования может производиться с учетом возможного отказа от коагулирования воды (если мутность исходной воды не превышает 3–5 мг/л, а цветность менее 10–15 град).

Первичное хлорирование воды жидким хлором, гипохлоритом натрия или раствором оксидантов с дозами не более 1–1,5 мг/л оказалось достаточным для поддержания должного уровня санитарной надежности сооружений станции в условиях незначительного органического загрязнения исходной воды и образования хлороформа при первичной ее обработке любым из этих реагентов.

В период холодных осенних дождей 2009 г. и весеннего паводка 2010 г. на воде реки Томи в районе Драгунского водозабора проводилась сравнительная оценка эффективности предварительной обработки исходной воды 0,1- и 1-процентным растворами гипохлорита натрия, получаемого химическим путем, и оксидантов при дозах 0,6; 1,8; 1; 3; 5 мг/л. Оценивались следующие параметры: динамика образования хлорорганических соединений; бактерицидная эффективность хлорреагентов по отношению к микроорганизмам группы кишечной палочки и вирусам; пролонгированное действие реагентов по отношению к блокам всей технологической схемы при разных гидравлических нагрузках.

Использование растворов гипохлорита натрия и оксидантов при низких концентрациях хлороформа в исходной воде в обоих случаях приводит к меньшему образованию хлороформа в воде после первичного хлорирования. В то же время его количество возрастает с увеличением доз этих реагентов (рис. 3). Обработка воды
гипохлоритом натрия с дозами до 1 мг/л не обеспечивала полного обеззараживания по тракту ее движения до лампы УФ-излучения. В случае использования на первой стадии обработки раствора оксидантов обеззараживание исследуемой воды в этот период наблюдений даже при его дозе ~ 1 мг/л было достаточным.

И в первом, и во втором случаях, помимо обеззараживания воды, происходило окисление органических веществ, препятствующее возникновению защитного действия устойчивой коллоидной системы и способствующее улучшению процессов коагуляции. Об этом свидетельствовал и рост значений окислительно-восстановительного потенциала от 203,55 до 626,7 мВ. Одновременно с обеззараживанием происходило обесцвечивание воды. С увеличением дозы гипохлорита натрия с 1 до 5 мг/л по активной части эффективность обесцвечивания возрастала от 5–8 до 60%, а при применении раствора оксидантов – от 10 до 55%. Эффективность снижения перманганатной окисляемости с гипохлоритом натрия не превышала в среднем 8–10%, а при обработке воды раствором оксидантов с увеличением дозы хлорреагента более 2 мг/л и перманганатной окисляемости в исходной воде менее 4 мг/л – не более 3–5%.

Эффективность применения раствора оксидантов по отношению к спорам сульфитредуцирующих клостридий и общему микробному числу при дозах 1–2 мг/л была выше, чем при использовании гипохлорита натрия. Длительные испытания на водах рек Дона и Томи показали также, что обработка воды после фильтров небольшими дозами хлора (до 1 мг/л) и УФ-облучением совместно с ультразвуком [15] позволяет не только достичь надежного обеззараживания питьевой воды, но и предотвратить возможность превышения нормативов по содержанию в ней тригалогенметанов.

Выводы

1. В периоды низкой бактериальной загрязненности и низких температур забираемой из реки воды (от 0,5 до 5°С) процесс водоподготовки может осуществляться без первичного хлорирования, но при обязательном финишном обеззараживании воды УФ-облучением (с дозами не более 30–40 мДж/см²) и ультразвуковой обработке (не более 2 Вт/см²) с последующим вторичным хлорированием с дозами до 1 мг/л.

2. В периоды более высокого бактериального загрязнения воды должно производиться первичное хлорирование. С целью обеспечения пролонгированного обеззараживающего действия перед подачей в распределительную сеть вода должна подвергаться совместной обработке УФ-облучением и ультразвуком, а также хлорированием жидким хлором, гипохлоритом натрия или раствором оксидантов.

3. При выборе конкретного хлорсодержащего реагента определяющим фактором является безопасность доставки и применения его на водопроводной станции, а также экономические показатели. Причем в технико-экономических расчетах должны обязательно учитываться не только затраты электроэнергии, но и возможная утилизация образующихся побочных продуктов, сроки сохранения рабочих характеристик реагентов во времени (концентрация действующих веществ), воздействие их на окружающую среду и обслуживающий персонал.

Список цитируемой литературы

Ягуд Б. Ю. Проблемы химической безопасности хлорных объектов ЖКХ: Материалы III Междунар. научно-произв. конф. «Промышленная безопасность на взрывопожароопасных и химически опасных производственных объектах». – Уфа, 2009.
Фесенко Л. Н., Игнатенко С. И. Обеззараживание воды низкоконцентрированным гипохлоритом натрия: от дискуссии к внедрению // Водоснабжение и канализация. 2009. № 3.
Бахир В. М. Дезинфекция питьевой воды: анализ и перспективы // Питьевая вода. 2007. № 3.
Кожевников А. Б., Петросян О. П., Баранов А. А. Можно ли в России остановить противников хлора? // Водоснабжение и канализация. 2009. № 3.
Педашенко Д. Д., Божко Л. Н., Скрябин А. Ю. и др. Сравнительная оценка хлорсодержащих дезинфектантов на донской воде // Водоснабжение и канализация. 2009. № 3.
Селезнев Г. М., Лыков С. М., Буракова Ю. В. и др. Новые технологии и оборудование для дезинфекции воды – альтернатива хлору // Безопасность труда в промышленности. 2007. № 2.
Веселовская Т. Г., Ласыченков Ю. Я., Антюфеев М. А. Альтернатива хлору и ГХН в системах водоподготовки – новый высокоэффективный комбинированный дезинфектант «диоксид хлора и хлор» // Водоснабжение и канализация. 2009. № 3.
Артемова Т. З., Недачин А. Е., Жолдакова З. И. и др. Проблема реактивации микроорганизмов в оценке эффективности средств обеззараживания воды // Гигиена и санитария. 2010. № 1.
Журба М. Г. Требования к современным технологиям водоподготовки мировых стандартов качества воды // Экологический вестник России. 2010. № 4.
Журба М. Г., Говоров О. Б., Говорова Ж. М. Предпроектные испытания технологий водоподготовки и их влияние на обоснование инвестиций // Водоснабжение и канализация. 2010. № 3.
Miltner R. J. Pilot-scale treatment for control of disinfection by-product. Strategies and Technologies for Meeting SDWA Requirements. Technomic. – Lancasters–Basel, 1993.
Арутюнова И. Ю., Ягунков С. Ю. Исследование различных технологических режимов очистки воды, направленных на снижение содержания хлорорганических соединений в питьевой воде: Сб. науч. тр. Проекты развития инфраструктуры города. 2008. Вып. 8.
Беляк А. А., Касаткина А. Н., Гонтовой А. В. и др. К вопросу об использовании растворов гипохлорита натрия в водоподготовке // Питьевая вода. 2007. № 2.
Лебедев Д. Н. Совершенствование технологий хлорирования природных вод в целях повышения качества питьевой воды (на примере г. Волгограда): Автореф. дис. … канд. техн. наук. – Пенза, ПГСУ, 2008.
Журба М. Г., Ульянов А. Н. Комплексное обеззараживание питьевых вод с применением ультрафиолета и ультразвука // Водоснабжение и канализация. 2009. № 3.