Методы обеззараживания воды

А. Никишов

Качество воды – главная и болезненная проблема современного централизованного водоснабжения питьевой водой городов и поселков Украины. Существующие водопроводные сети и очистные сооружения давно устарели и требуют безотлагательных мер по усовершенствованию технологий и использованию новых реагентов, которые смогли бы воспрепятствовать распространению и попаданию в питьевую воду химических и бактериологических веществ, представляющих серьезную угрозу здоровью жителей украинских городов

Наследие прошлых, не обременявших себя заботой об экономном природопользовании лет, в течение которых строительство промышленных предприятий и хозяйственных объектов «удешевлялось» за счет отказа от строительства необходимых очистных сооружений (а также ошибки при их проектировании и неправильная эксплуатация), привело к неконтролируемому загрязнению подземных и поверхностных вод. В сельском хозяйстве «увлечение» удобрениями и пестицидами, 20% которых оказывались в речках и водоемах страны, привело к ухудшению органолептических показателей воды, а во многих случаях превратилось в настоящую угрозу здоровью украинцев.

«Живая» и «мертвая» вода

В свете вышесказанного основным научным направлением сегодняшнего дня становится нормирование качества питьевой воды по физиологическим и гигиеническим критериям, определяющим ее реальную безвредность и безопасность. Принцип, когда анализ качества воды проводился как индивидуальное сравнение с нормативами, с появлением новых антропотехногенных загрязнителей устарел, хотя и до сего дня является традиционным для постсоветских систем водоснабжения. В реальности даже несколько веществ, загрязняющих воду, но не превышающих нормативные показатели, могут оказаться угрозой здоровью человека в своем совокупном воздействии. Тем более, если это загрязнители, обладающие кумулятивным токсическим воздействием, или канцерогены. В результате вода, соответствующая нормативам по одиночным параметрам, может оказаться не безопасной. Или же наоборот – превышение каких-то отдельных элементов может сделать воду не только безопасной, но и придать полезные для организма свойства.

Такое новое направление, как физиолого - гигиеническое нормирование, основывается на оценках не только химического состава воды, но и учитывает эпидемиологию взаимосвязей по типу и качеству используемой воды (по химическим компонентам) и здоровья человека, что, в свою очередь, порождает новое понятие – физиологически полноценная вода.

Всем нам известную воду формируют особые супермолекулы шестигранной формы, которые ученые называют кластерами, или ячейками. И если на них оказать воздействие – механическое, химическое, электромагнитное или информационное, то можно изменять саму структуру воды за счет перестройки супермолекул. Эту особенность воды еще называют ее памятью. Другими словами, с каким бы воздействием вода не столкнулась, она тут же запоминает все характеристики данного воздействия, информацию о котором можно стереть только через испарение или замерзание (рис. 1).

Рис. 1. Структура воды

Здоровье человека полностью формируется и поддерживается – или разрушается – качеством воды, которую он употребляет. Полезная, дающая жизнь клеткам человеческого организма, вода должна быть свободной от различных химических, механических, биологических и информационных примесей-загрязнителей и в то же время иметь достаточную минерализацию необходимыми организму микроэлементами Биологически чистая вода – физиологически полноценная – должна отвечать следующим требованиям:

быть свободной от загрязнений, вредных бактерий и солей тяжелых металлов;
содержать макро- и микроэлементы, требующиеся для нормального функционирования человеческого организма;
содержать допустимое количество солей Са и Mg, определяющих жесткость воды;
иметь кислотно-щелочной баланс (pH), близкий к кровяному – 7,4;
обладать способностью к биохимическим реакциям.

Но это не все. Согласно последним выводам ученых, «живая вода» должна обладать и некоторыми другими свойствами, первым из которых будет биоусваиваемость. Клетка человеческого организма получает питание в виде необходимых элементов с помощью молекулы воды, которая должна проникнуть в нее через мембрану. Для этого коэффициент поверхностного натяжения молекулы воды должен соответствовать коэффициенту поверхностного натяжения мембраны клетки и не превышать 45 дин/см. Мембрана клетки постоянно фильтрует состав молекул воды, и в случаях, когда коэффициент поверхностного натяжения не соответствует допустимому, клетка остается без влаги и питания, поэтому усыхает и вскоре умирает.

В дополнение к этому для физиологически полноценной воды очень важно, чтобы она имела отрицательный заряд и обладала электролитическими свойствами, благодаря которым осуществляется процесс управления клетками организма посредством гормональных макромолекул, несущими необходимую управленческую информацию. А сами отрицательные ионы делают воду более активной, что позволяет ее молекулам образовывать новые связи.

Немаловажной характеристикой, определяющей воду как физиологически полноценную, является обладание молекулами воды энергетическим потенциалом, который может быть определен при помощи биоэлектрографии.

Соответствие воды всем этим показателям и определяет воду как физиологически полноценную, несущую жизнь и здоровье живому организму.

Рассмотрим некоторые современные методы обеззараживания воды.

Метод 1. Обеззараживание без хлора

Одним из методов по эффективной очистке воды и приведению ее к стандартам физиологически полноценной является отказ от использования хлора в очистных процессах. Для этого предлагается использовать новые реагенты, обладающие биоцидными свойствами, например диоксид хлора (рис. 2), гипохлорит натрия и др.

Рис. 2. Система синтеза и дозирования диоксида хлора

Вообще понятие «биоциды» обозначает огромный спектр веществ, действия которых направлены на уничтожение, подавление роста и предотвращение развития всевозможных вредных
микроорганизмов. К ним относятся бактерициды, альгициды, инсектициды, консерванты и фунгициды, которые применяются во многих промышленных и хозяйственных сферах, не исключая и процессы подготовки воды (таблица 1, 2).

Таблица 1. Эффективность биоцидов в отношении различных микроорганизмов

Таблица 2. Сравнение основных преимуществ и недостатков некоторых биоцидов

По способу воздействия эти реагенты делятся на окислительные и неокислительные. Первые оказывают наружное и внутреннее воздействие на клетку, при котором микроорганизм гибнет вследствие сгорания оболочки клетки и разрушения внутриклеточных компонентов. Другая группа биоцидов воздействует на клетку снаружи таким образом, что нарушает ее метаболизм и другие жизненно важные процессы путем повышения проницаемости ее оболочки. Окислительные биоциды действуют быстрее, они более активны, микроорганизмы к ним не привыкают, но они обладают коррозийными качествами, образуют токсичные производные и не воздействуют на биопленку. Неокислительные реагенты действуют в менее широком спектре, медленнее, они неагрессивны, активно разрушают биопленку, но способны привести к образованию новых мутаций микроорганизмов с невосприимчивостью к данному виду биоцида.

Обладание биоцидами еще и флоккулирующими свойствами позволяет применять их самостоятельно – без дополнительных реагентов. Вода, очищенная с использованием биоцидов, не имеет привкуса и запаха, а также сохраняет прозрачность и цвет. Однако существует ряд определенных нюансов. Например обработка гипохлоритом натрия приводит к образованию вредных для здоровья человека хлорорганических соединений, как то тригалометанов ( хлороформ). А диоксид хлора, как любой окислитель, приводит к образованию побочных продуктов окисления, не так хорошо изученных, как продукты окисления хлором (или гипохлоритом натрия. Ряд исследований показал их высокую мутагенность и токсичность, что привело к вводу жестких ограничений по дозам диоксида, а иногда и невозможность применения этого реагента. Это ещё раз служит подтверждением, что для каждого объекта необходимо проводить детальное исследование на предмет применения технологии обеззараживания.

Метод 2. Обеззараживание озонированием

Озон применяют не только для обеззараживания воды, но также и для ее обесцвечивания, то есть разрушения органических веществ, и дезодорации – устранения посторонних запахов в воде (рис. 3). По сравнению с хлорированием озонирование имеет ряд достоинств:

озон получают на месте его применения, в отличие от привозного хлора;
озон, как и гипохлорит натрия, не вызывает раздражения слизистых оболочек и кожных покровов посетителей бассейнов.

Однако озон имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих его применение для обеззараживания воды в бассейнах:

значительные затраты на оборудование и его эксплуатацию;
быстрое улетучивание озона из воды, что значительно сокращает его «остаточное последействие»;
малая предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе (0,001 мг/л), что создает вредные условия труда при работе как для обслуживающего персонала, так и для клиентов.

Рис. 3. Принципиальная схема установки по озонированию воды

Озон относится к тем веществам, которые различаются на запах при концентрациях, в сотни раз меньше допустимых. Поэтому запах озона в воздухе – это еще не показатель вредности воздуха (вспомним живительный свежий воздух после грозы).

Важно также отметить, что при наличии даже небольшого количества органических веществ под действием сильного окислителя (озона) в воде образуются такие соединения, как, например, формальдегид, являющийся, как и хлороформ, высокоопасным веществом по санитарно-токсикологическому признаку вредности.

К тому же при озонировании нет пролонгированного эффекта. Требуется дохлорирование с целью доставки или хранения воды. А при этом способе повышается токсичность. Наличие, например, в исходной воде таких загрязнителей, как пестициды, при озонировании увеличивает в несколько раз их токсикологические показатели. При подаче воды после озонирования по трубопроводу происходит повторное заражение от находящейся внутри любого трубопровода бактериальной пленки. Озонирование при всем этом - еще и дорогостоящий метод.

Метод 3. Ультрафиолетовое обеззараживание

Метод УФ-обеззараживания питьевой воды – один из перспективных методов обеззараживанияс высокой эффективностью по отношению к патогенным микроорганизмам, не приводящий к образованию вредных побочных продуктов, чем иногда грешат хлорирование или озонирование.

Установлено, что наибольшим бактерицидным воздействием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны от 200 до 295 нанометров. Эта область ультрафиолетового облучения называется бактерицидной. Максимум бактерицидного излучения располагается около длины волны в 254 нанометров. Этот вид излучения обладает энергией, достаточной для воздействия на химические связи, в том числе и на живые клетки. Поглощаясь внутри микроорганизмов молекулами ДНК и РНК, оно вызывает фотохимические изменения в их структуре. Известно, что УФ-излучение действует на вирусы намного эффективнее, чем хлор, поэтому применение ультрафиолета при подготовке питьевой воды позволяет, в частности, во многом решить проблему удаления вирусов гепатита А, которая не всегда решается при традиционной технологии хлорирования. Бактерицидное действие протекает во много раз быстрее, чем у хлора.

Основным преимуществом метода УФ-обеззараживания является то, что установки (рис. 4) легко вписываются в типовые технологические схемы и достаточно компактны, что не требует проведения значительных строительных работ на существующих водоочистных сооружениях. УФ-стерилизация не образует побочных продуктов при обработке воды, поэтому доза излучения может быть увеличена до значений, обеспечивающих эпидемиологическую безопасность как по бактериям, так и по вирусам. Поэтому при УФ-обеззараживании воды не существует проблемы передозировки.

Рис. 4. Установка по УФ-обеззараживанию

Опыт работы показывает, что для применения УФ-обеззараживании исходное качество воды должно соответствовать следующим требованиям:

содержание железа в воде не должно превышать 0,3 мг/л;
мутность воды не должна превышать 30 мг/л.

При УФ-обеззораживании нет ограничений на coli индекс исходной воды. Этот метод успешно применяется для обеззараживания сточной води с coli индексом больше 100000000!

При проектировании УФ-установок предварительной подготовки надо учитывать тот фактор, что при обработке воды, неблагоприятной в микробиологическом отношении, на фильтрах может образоваться биопленка, что в свою очередь может вызывать увеличение общего микробного числа и ухудшать качество воды. Поэтому в этих случаях лучше всего применять комбинированные методы обеззараживания воды.

При размещении УФ-установок надо предусматривать возможность вторичного микробиологического загрязнения воды. Это происходит чаще всего из-за того, что водопроводная сеть и связанное с ней оборудование находятся в ненадлежащем санитарно-техническом состоянии. Поэтому УФ-обеззараживание наиболее применимо для локальных установок на завершающей стадии обработки воды, для обеспечения ее надлежащего питьевого качества в непосредственной близости от потребителя.

Метод 4. Избавление от примесей

Содержание вредных веществ в воде не должно превышать гранично-допустимых норм, определяемых государственными СанПиН 2.2.4-171-10. Проверить состав воды можно в специальных лабораториях или санэпидемстанциях. На основании полученных данных необходимо принимать меры по дополнительной очистке потребляемой водопроводной воды с применением различных фильтров.

Вещества, превышающие предельно-допустимые нормы, являются объектом для удаления из воды. К примеру, железо, придающее воде неприятный запах и привкус, а также рыжеватый цвет. Или минералы, такие как магний или кальций. Они делают воду более жесткой и оказывают негативное влияние на водопроводные системы, водонагревательные приборы и стиральные машины, приводя со временем их в негодность, не говоря о здоровье человека, которому наносят непоправимый вред, накапливаясь в почках.

Суммирование вредных воздействий загрязнителей воды определяет степень хронической интоксикации организма человека и зависит от кумулятивных свойств того или иного загрязнителя, на степень которых, в свою очередь, влияют различные химические и физические факторы. К ним можно отнести слабую растворимость вещества в воде и хорошую растворимость в жирах, что препятствует быстрому освобождению организма от токсических веществ. Все органические соединения хлора, цинка и ртути следует отнести к загрязнителям, обладающим кумулятивными токсическими свойствами.

Но существуют и множество других загрязнителей, токсическое воздействие которых имеет способность накапливаться. Примером таких веществ могут служить соединения кадмия, мышьяка и фтора (фториды).

Первый попадает в человеческий организм (и индуцирует хронические заболевания почек и тканей костей) из водоемов, которые загрязняются стоками предприятий сталелитейной промышленности и производства пластмасс, а также из-за коррозии гальванизированных труб и в результате использования в производстве ПХВ-труб красителей и стабилизаторов. ПДК кадмия в воде ограничено 70 мкг/л, а смертельной дозой считается 150 мкг/л. Его опасность усиливается еще и отличным взаимодействием в процессе всасывания и на тканевом уровне с кобальтом, железом, селеном, кальцием и цинком.

Мышьяк и его трехвалентные соединения оказываются в источниках водозаборов в результате выбросов электростанций, предприятий металлургии и сельского хозяйства, в большом количестве использующих мышьякосодержащие пестициды. Через кровь этот яд поступает в печень, почки, селезенку, мышечные ткани и кожные покровы, где происходит его накопление.

Фториды имеют свойство накапливаться в костях и приводят к развитию флюороза.

Ответ на вопрос о том, какие системы очистки использовать для дополнительного очищения водопроводной воды, зависит от ее качества, а также финансовых возможностей.

При фильтровании вода очищается в процессе пропускания ее через различные фильтры – от обыкновенных механических до самых эффективных ионообменных. Современный рынок позволяет подобрать фильтры под любую задачу и по различным ценам.

В настоящее время наиболее распространенным способом, очищающим воду от всех перечисленных примесей (до питьевого качества) является обратный осмос. При этом вода проходит через несколько ступеней очистки, что позволяет добиться максимального очищения. Но вопрос в том, что после такой очистки вода деминерализируется и ее полезность снижается. В данном случае необходимо использовать минерализаторы или вводить в рацион минеральную воду, содержащую необходимые микро- и макроэлементы.

Как правило, посредством осмоса получают и бутилированную воду. Переход на ее доставку является также одним из способов организации безопасного водоснабжения для питьевых нужд.

Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!