Методи знезараження води за допомогою сполук хлору

М. Шарков

Підготовка води – стратегічно важливе завдання в багатьох країнах світу, і Україна не є виключенням. Водопідготовка є комплексною галуззю і включає як питання забезпечення населення питною водою, так і аспекти використання води для промисловості. В цій статті йдеться про застосування методів знезараження води за допомогою сполук хлору

Якісна питна вода – проблема, з якою ми зустрічаємось у нашому повксякденному житті та під час позаштатних ситуацій: при виникненні аварій або в зонах екологічних лих. У багатьох випадках водозабір здійснюється із джерел, які мають несприятливу мікробіологію або використовуються поверхневі води, в яких присутні хвороботворні бактерії. Нерідкі ситуації, коли застосовується застаріле обладнання, яке вже відпрацювало свій експлуатаційний термін і, як наслідок цього, недотримання санітарно-гігієнічних норм.

В цілому, питання водного господарства та екологічна ситуація створили потребу у розробці нових методів водопідготовки та водоочищення, а також – випуску обладнання для їх реалізації.

В наш час найпоширенішим способом дезінфекції води залишається первинне хлорування. Причина цього полягає в підвищеній ефективності такого знезараження води і економічності технологічного процесу в порівнянні з іншими існуючими способами. Інша найважливіша перевага цього способу – завдяки ефекту післядії забезпечується мікробіологічна безпека води при її транспортуванні до споживача.

У той же час істотний недолік хлорування – це присутність в обробленій воді вільного хлору, що погіршує її органолептичні властивості і є причиною утворення шкідливих для здоров'я побічних сполук галогену – тригалометанів, таких як хлороформ, діхлорбромметан, дибромхлорметан і бромоформ. Їх утворення обумовлене взаємодією сполук активного хлору з органічними речовинами природного походження.

Крім того, недоліком методу первинного хлорування води є необхідність дотримання особливих заходів безпеки при транспортуванні та зберіганні хлору. Це особливо відчутно тоді, коли реагент доводитися перевозити на великі відстані від заводів-постачальників. Небезпека витоку хлору на складах зберігання водоочисних комплексів, розташованих поблизу населених пунктів, у багатьох випадках перешкоджає застосуванню цього методу знезараження води.

Саме тому все частіше застосовуються методи обробки питної води за допомогою діоксиду хлору і гіпохлориту натрію.

Діоксид хлору

Діоксид хлору (СlO₂) – це продукт взаємодії сполук хлору, в яких він знаходиться у відновленій

формі. На інтенсивність процесу окислення, поряд з хлором, сильний вплив створюють пов'язані атоми кисню. Діоксид хлору забезпечує довготривале знезараження води, дозволяє ефективно окисляти органічні сполуки, запобігає утворенню біоплівок на поверхні труб, а також сприяє ефективному видаленню розчинних сполук заліза і марганцю.

Діоксид хлору має низку незаперечних переваг у порівнянні з хлор-газом:

• зведено до мінімуму утворення побічних продуктів з різким запахом (трігалоідметіл, хлорфенол або хлорамін), що викликають подразнення слизової оболонки;
• окисні властивості діоксиду хлору практично не залежать від величини рН, тому його можна без труднощів використовувати в лужному середовищі;
• сучасні системи синтезу та дозування діоксиду хлору виключають ризики, пов'язані з використанням газоподібного хлору;
• діоксид хлору знищує спороутворюючі бактерії, що володіють стійкістю до дії хлору.

У той же час, у діоксиду хлору є і деякі недоліки, адже способи його отримання передбачають використання соляної кислоти і хлор-газу, які є небезпечними речовинами та вимагають запобіжних заходів при перевезенні та зберіганні. Під час реакції вивільняється хлор та побічні сполуки, які, однак, не такі небезпечні, як при обробці води хлор-газом. З метою безпеки можливо використовувати обладнання, що дозволяє працювати на низькоконцентрованих вихідних реагентах, які не відносяться до прекурсорів.

Попереднє дозування діоксиду хлору застосовується для зниження кількості хлору при подальшій обробці, а також – для окислення органічних і мінеральних сполук з їх перекладом на нерозчинні форми, які можуть фільтрувати і осідати на інших стадіях процесу. Доза попереднього хлорування становить (1–2 мг СlO₂/л).

Подальше дозування діоксиду хлору використовується для забезпечення пролонгованої дезінфікуючої дії. Доза при цьому становить (0,5–1 мг СlO₂/л).

Дія на хвороботворну флору ClО₂ при реакції обумовлена не тільки високим вмістом вивільненого хлору, а й утворенням атомарного кисню. Це поєднання робить діоксид хлору потужним дезінфектантом. Стримуючим фактором у використанні даного дезінфектанту до останнього часу була підвищена вибухонебезпечність, ускладнене його виробництво, транспортування та зберігання. Однак сучасні технології дозволяють усунути цей недолік за рахунок виробництва діоксиду хлору безпосередньо на місці застосування.

Існують різні способи синтезу діоксиду хлору. Найбільш широке поширення в світі отримав метод, заснований на взаємодії хлорита натрію і соляної кислоти. При отриманні діоксиду хлору реакція між компонентами відбувається в реакторі.

При використанні розбавлених хімічних речовин в методі «хлорит натрію – соляна кислота» обидва реагенти подаються безпосередньо в реактор, в якому відбувається хімічна взаємодія. У разі застосування концентрованих речовин необхідно розводити їх перед подачею в реактор.

Реакція відбувається за формулою:

5NaClO₂ + 4HCl → 4ClO₂ + 5NaCl + 2H₂O

В даний час на ринку пропонуються різні установки для обробки води діоксидом хлору, в основі роботи яких лежить вищеописаний метод. Цікаве рішення пропонує датський концерн Grundfos A/S в системах Oxiperm (рис. 1). В установках цього виробника закладена технологія приготування реагенту з використанням розбавлених реагентів (7,5% хлоритом натрію і 9% соляною кислотою). Така концентрація вихідних реагентів не вимагає отримання прекурсорів та розробки підвищених заходів безпеки зберігання.

Рис. 1. Система приготування діоксиду хлору Oxiperm 164

Продуктивність установок – 5–2000 г/год ClO₂. Споживання реагентів: HCl (9%) – 0,12–48 л/год; NaClО₂ (7,5%) – 0,12–48 л/год; вода для отримання робочого розчину: – 150–900 л/год.

Особливістю установок є те, що весь процес візуалізується двома способами: за допомогою світлодіодів і виведення відповідних текстових повідомлень на РК-дисплеї. Пропонується додаткова опція – система дистанційного керування. Системи оснащені датчиками та електронікою для повного контролю над процесами, що дозволяє автоматизувати їх і включити в систему диспетчеризації технологічних ліній.

Організувати роботу систем дезінфекції можна в різних варіантах, в тому числі, безперервно, з постійним потоком води (рис. 2).

Рис. 2. Керування роботою установки по імпульсному сигналу шляхом заміру концентрації діоксиду хлору, а також потоку води магнітним індуктивним витратоміром (МІР)

Стандартна система містить додаткову функцію «над-моніторингу» мінімального рівня потоку для виключення. Схема включає електромагнітний (соленоїдний) клапан для відведення води. Додатковою опцією є версія з внутрішнім насосом для відведення води безпосередньо від водорозбірної труби.

У режимі з накопичувальною ємністю (порційний режим) час роботи системи залежить від рівня наповненості буферного резервуара (рис. 3), обладнаного, у свою чергу, чотири рівневими датчиками (перелив, макс., Хв., «Сухий» хід). Після досягнення мінімального рівня система починає роботу, при максимальному значенні – перестає виробляти діоксид хлору. Протягом цього періоду система працює на 100% номінальної потужності.

Рис. 3. Система з порційним блоком, двома циклами дозування із залишковим регулюванням

Крім того, можлива робота системи в ручному режимі.

Гіпохлорит натрію

Одним з найбільш перспективних способів знезараження питних вод на водоочисних комплексах є використання гіпохлориту натрію (NaClO), одержуваного на місці споживання шляхом електролізу розчинів кухонної солі або мінералізованих вод, що містять не менше 20 мг/л хлоридів.

Головна перевага гіпохлориту натрію в порівнянні з попереднім методом полягає в тому, що завдяки можливості виготовлення на місці, не потрібне транспортування та зберігання не безпечних хімікатів. Сировиною служить звичайна кухонна сіль, вода та електрика.

Гіпохлорит натрію ефективний проти більшості хвороботворних мікробів, але в той же час він не ефективний проти деяких цист (Giardia, Cryptosporidium). Крім того, в процесі дезінфекції з його застосуванням утворюються в незначній кількості деякі побічні продукти (солі хлорнуватої кислоти).

Висококонцентрований розчин товарного гіпохлориту NaClO також втрачає активність при тривалому зберіганні (від 30% своєї активності за 10 днів), при цьому існує потенційна небезпека виділення газоподібного хлору. Однак ці питання вирішуються шляхом виробництва низькоконцентрованого дезінфектанта на місці. Такий розчин може зберігатися до 30 днів. Також, для отримання низькоконцентрованого розчину гіпохлориту необхідні набагато менші витрати електроенергії.

Отримання гіпохлориту натрію практикують безпосередньо на місці. Це вигідно, оскільки не потрібно транспортування та зберігання, а також немає потреби утилізації частини побічних продуктів. Процес отримання відбувається, наприклад, шляхом електролізу:

Даний електролітичний метод характеризується малими витратами і безпекою; реагент легко дозується, що дозволяє автоматизувати процес знезараження води.

Наприклад, системи електрохлорування Selcoperm датського концерну Grundfos A/S для обробки питної води є повністю автоматизованими установками (рис. 4) з бездіафрагмовим електролізером. Попередньо підготовлений в баку-сатураторі сольовий розчин з концентрацією 20–30 г/л надходить в комірку електролізу. В результаті електрохімічного процесу виходить розчин, що містить гіпохлорит натрію, а на катоді виділяється водень. Значення напруги, що подається на електролізер, становить 26–28 В.

Рис. 4. Установка для знезараження води із застосуванням виробництва гіпохлориту натрію

Продукт надходить в дегазуючу колону, де відбувається розведення водно-повітряної суміші до вибухобезпечного стану і її виведення з системи.

Продуктивність систем Selcoperm – від 0,125 до 45 кг Cl₂/год. Витрата регентів і електроенергії:

3–4,5 кг солі / 1 кг хлору; 5,0–6,5 кВт / 1 кг хлору, 140 – 170 літрів води / 1 кг хлору. Кінцевий продукт являє собою розчин NaClO (вміст до 8 г/л) з температурою не нижче 35°С і значенням рН 8–8,5.

Керування системою полягає в постійному контролі та регулюванні параметрів, що відображаються на панелі керування:

• витрати води;
• концентрація сольового розчину;
• сила струму;
• напруга;
• температура.

У комплект входять пом'якшувач води, вузол вентиляції та джерело електроживлення. Додатково систему можливо укомплектувати накопичувачем, тим самим створивши запас реагенту.

При всій простоті процесу застосування гіпохлориту натрію необхідно дотримання ряду досить жорстких умов. Так, для нормальної роботи електролізера в нього повинна подаватися відфільтрована вода хорошої якості при певному тиску. Крім того, повинна використовуватися високоякісна сіль (хлорид натрію), придатна для підготовки питної води.

Основні питання, які доводиться вирішувати водоканалам при переході з Cl₂ на NaClO:

• якість води (артезіанські води, як правило, характеризуються підвищеним вмістом іонів заліза, іноді сульфідів; поверхневі джерела – підвищеними значеннями окислюваності, каламутності, кольоровості, мікробіологічної складової);
• сезонна зміна складу води (як правило, для поверхневих джерел водопостачання);
• застосування дезінфеканта при первинному хлоруванні (іноді при переході з газоподібного хлору на гіпохлорит натрію відбувається невелике помутніння оброблюваної води);
• стан комунікацій (трубопроводів) і ємнісного обладнання;
• технологія водопідготовки (застосовані фільтруючі завантаження, коагулянти, флокулянти);
• аналітичний супровід процесу дезінфекції (старі методи визначення залишкового вільного активного хлору не досить точні, трудомісткі і мають обмеження по мінімальному вмісту активного хлору в пробі води).

Залежно від хімічного складу води можна досить точно підібрати найбільш ефективний метод дезінфекції для забезпечення тривалого і безпечного знезараження води.

Відео. Застосування знезараження води за допомогою сполук хлору на водоканалі у Львові

В даний час в Україні вже здійснено ряд проектів по впровадженню систем знезараження води із застосуванням гіпохлориту натрію, зокрема, на водоканалах у Львові, Житомирі, Києві та інших містах.

м. Житомир, КП «Житомирводоканал». 2013 р.
Хлораторна водопровідна насосна станція другого підйому
Максимальна продуктивність станції – 20 кг/год

м Львів. ЛМКП «Львівводоканал». 2012 р.
Насосна станція «Сокільники», реконструкція хлораторної
Максимальна продуктивність станції – 12 кг/год (2 установки по 6 кг/год)

м Київ. ПрАТ «Київводоканал». 2019 р.
Насосна станція «Виноградар-1», реконструкція хлораторної
Максимальна продуктивність станції – 4 кг/год

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

Переглянуто: 11 288