Технологии обеззараживания воды

К важным параметрам воды относятся ее микробиологические показатели. Ранее мы уже писали о микроорганизмах, которые могут обитать в воде. Сегодня более детально остановимся на том, как предупредить их размножение и, соответственно, негативное воздействие.

Микроскопических обитателей водной среды по их воздействию можно разделить на две группы:

1. Бактерии, грибки и водоросли, которые вызывают обрастания трубопроводов, теплообменников, емкостей для хранения воды, деталей фильтров и пр. Они обычно попадают в воду из поверхностных источников и размножаются в благоприятных условиях.
2. Патогенные и условно патогенные микроорганизмы: вирусы, бактерии, грибки, яйца глистов, которые способны вызывать инфекционные заболевания у человека и животных.

Методы обеззараживания воды классифицируются по принципу действия на:

• физические или безреагентные, где обеззараживание происходит благодаря воздействию физических факторов (кипячение, ультрафиолет, электролиз, обратный осмос);
• химические или реагентные методы, при использовании которых обеззараживание выполняется путем внесения в воду определенных реагентов (хлорирование, озонирование, использование неокислительных реагентов);
  
• комбинированные методы предусматривают сочетание обеих технологий, например ультрафильтрации и хлорирования.

На схеме ниже можно понять классификацию методов обеззараживания детальнее.

Физические методы обеззараживания воды

Обеззараживание без использования реагентов имеет свои преимущества. Главным преимуществом таких методов обычно является отсутствие вторичного загрязнения растворами дезинфектантов, но при этом все эти методы имеют один существенный недостаток — вода может быть вторично заражена микроорганизмами, поскольку методы не имеют пролонгированного эффекта.

Кипячение

Это, пожалуй, самый простой способ обеззаразить воду в домашних и полевых условиях. При воздействии повышенной температуры структура ДНК большинства патогенных микроорганизмов повреждается, и они не способны продолжать размножение. Кипячение эффективно против всех микроорганизмов, которые образуют споры.

Важно отметить, что для обеззараживания воду не просто нужно довести до кипения, а прокипятить ее в течение не менее пяти минут.

Преимущества:

• простота выполнения;
• отсутствие необходимости в дополнительном оборудовании;
• эффективность относительно большинства патогенных микроорганизмов;
• помимо обеззараживания снижается уровень жесткости и мутности.
  

Недостатки:

• существенное возрастание энергопотребления при повышении объема воды;
• высокая длительность;
• возможность вторичного загрязнения.

Ультрафиолет

Еще с давних пор человечество знает о полезном действии солнечных лучей. Благодаря ультрафиолету, который является одной из составляющих спектра УФ-излучения, они способны разрушать структуру тимина в ДНК клеток микроорганизмов. В результате бактерии и вирусы теряют способность к размножению как в воде, так и в организме человека.

Самым примитивным исполнением УФ-обеззараживания воды является SODIS-метод. Вода, очищенная процеживанием от крупных механических частиц размером более 50 мкм, заливается в бутылки из PET (полиэтиленфталата), которые размещаются на поверхности под прямыми солнечными лучами. Главным недостатком данного метода является необходимость активного солнечного света. Он максимально эффективен в полосе между 35 градусами южной и северной широты, в таких широтах обеззараживание займет около шести часов. При снижении интенсивности солнечного света возрастает длительность обеззараживания.

Приборы для обеззараживания воды производятся в форме цилиндрических механических трубок с излучателем в кварцевому рукаве. Вода поступает в корпус и тонким слоем обтекает рукав, вследствие чего просвечивается УФ-лучами и обеззараживается. Длина волны в большинстве таких приборов около 250 нм.

Сегодня такие устройства используются для превентивного обеззараживания как питьевой, так и хозяйственно-бытовой воды после систем комплексной очистки. Установка такого излучателя предупредит обрастание трубопроводов, деталей фильтра, стиральной машины и пр.

Преимущества:

• метод прост в использовании;
• не требует громоздкого оборудования;
• отсутствует необходимость в постоянном дозировании реагентов;
• не вносит в воду вторичное загрязнение в отличие от дезинфекции реагентами;
• низкое энергопотребление.

Недостатки:

• не эффективен против широкого спектра микроорганизмов, для загрязненных патогенами вод рекомендуются комбинированные методы;
• необходима регулярная замена излучателя;
• вода перед пропусканием через прибор должна быть очищена от механических частиц, которые способны снижать эффективность метода на 50%;
• отсутствие пролонгированного действия.

Обратный осмос и ультрафильтрация

Размеры пор мембран обратного осмоса в 4000 раз меньше самых маленьких бактериальных клеток и в 200 раз меньше вирусных частиц. Поэтому такие фильтры способны задерживать 100% микроорганизмов. Технология используется преимущественно для очистки питьевой воды. Именно она является основой для бытовых фильтров, вендинговых автоматов, киосков разлива воды и даже производства продуктов питания и напитков. Почитать об обратном осмосе более детально можно тут.

Преимущества:

• удаление 100% вирусов и бактерий;
• компактные размеры и высокая производительность;
• экологичность;
• удаление помимо микробиологических загрязнений других токсикантов: тяжелых металлов, органических веществ, хлора и пр.

Недостатки:

• довольно высокая стоимость технологии;
• большой объем сточных вод — от 20 до 70% выхода, в зависимости от размера мембраны и давления;
• отсутствие пролонгированного действия, что ограничивает использование воды непосредственно в точке получения. Или же вода требует комбинированного обеззараживания.

Ультрафильтрационная мембрана имеет довольно большие размеры пор, которые могут частично пропускать частицы вирусов, поэтому данный метод может использоваться только в комбинации с реагентами или ультрафиолетом.

Реагентные методы обеззараживания воды

Реагентное обеззараживание воды, как вы догадались, подразумевает под собой внесение в воду определенных веществ. Эти соединения делятся на две группы:

• Окислительные — разрушают клеточную структуру микроорганизма путем его окисления, при этом восстанавливаясь до менее активных соединений.
• Неокислительные — оказывают бактерицидное действие благодаря специфическим воздействиям на микроорганизмы, прекращая их размножение.

Ниже мы поговорим об основных методах обеззараживания, об их недостатках и преимуществах.

Хлорирование

Этот метод заключается во внесении в воду соединений, которые содержат активный хлор способный окислять микроорганизмы и органические вещества.

Ниже приведем основные хлорные дезинфектанты:

• Собственно хлорная вода - имеет хороший дезинфицирующий эффект, легко дозируется в воду. Недостатком являются повышенные требования безопасности при хранении.
• Гипохлорит натрия или кальция сегодня являются самыми распространенными реагентами. Производятся в форме гранулята, который растворяется в воде и дозируется в жидком виде. Их удобно транспортировать, но при этом они не эффективны против цист и при длительном времени хранения наблюдается значительное снижение эффективности.
• Соли хлоризоциануровой кислоты, которые используются преимущественно в технических целях для бассейнов, емкостей, систем вторичного водоснабжения, но иногда и для обеззараживания питьевой воды в полевых условиях. Препараты производятся в форме таблеток, удобны для транспортировки и хранения, обладают высокой эффективностью.
• Хлорамины используются на станциях централизованной водоподготовки, дозируются в воду в форме раствора. Преимуществом данного метода является длительное последействие, а недостатками - более выраженный запах и низкая эффективность реагента.
  
• Диоксид хлора — один из самых сильных хлорных окислителей, образует мало побочных продуктов, но получить его можно только в месте использования, поэтому не распространен в водоподготовке.
• Хлорная известь (смесь гипохлорита, хлорида и гидроксида кальция).

На сегодня хлорирование является самым распространенным методом обеззараживания воды. Это обусловлено высокой эффективностью хлора по отношению к 99% микроорганизмов и его длительным последействием. Это значит, что вода, которая подается в трубопровод, содержит небольшое количество хлора. Он может окислять примеси, в том числе микроорганизмы, хлор, органические вещества, которые вызывают цветность воды.

Чем опасен хлор для человека?

Тут стоит говорить о двух факторах. Активный хлор, который вызывает хлорный запах воды из-под крана или в бассейне, имеет свойства подсушивать кожу и волосы, вызывать раздражение слизистых носа и глаз. Но при этом он быстро выделяется из воды при отстаивании и реальной опасности человеку не несет.

Но есть и скрытые последствия использования хлора, как дезинфектанта. Это образование продуктов взаимодействия хлора с органическими веществами, которые находятся в поверхностных водах, микробиологическими обрастаниями на поверхности трубопроводов. Эти соединения имеют название тригалометаны — углеводороды, в которых один или несколько атомов замещено хлором. Самым распространенным загрязнителем вод является хлороформ (70 - 90% всех тригалометанов).

Токсичность таких соединений имеет два механизма:

• участвуя в метаболизме, хлорорганика способствует выделению токсикантов имеющих системное действие;
• во втором пути взаимодействия образуются свободные радикалы, которые как раз и обладают канцерогенным эффектом.

Исследования, которые многократно проводились на территориях разных стран, показывают корреляцию употребления для питья хлорированной воды с развитием онкологических заболеваний желудочно-кишечного тракта.

Но проблема хлорорганики успешно решается благодаря даже самым простым магистральным угольным фильтрам.

Озонирование

Озон является сильным окислителем. Он эффективен против всех микроорганизмов, их спор. Но при этом не эффективен для удаления биоплёнки, соответственно, не подходит для обеззараживания емкостей и бассейнов.

Озон получается непосредственно в месте водоподготовки на специальных установках-озонаторах, которые содержат генератор озона, колонну для растворения и взаимодействия его с водой и механический фильтр для удаления окисленных частиц. На рисунке приведена схема процесса.

Вследствие взаимодействия озона с водой образуются альдегиды, кетоны, органические кислоты, которые тоже обладают токсичным действием. Поэтому после озонирования также необходимо использование фильтров с активированным углем.

Преимущества:

• высокая эффективность по отношению ко всем микроорганизмам;
• отсутствие тригалометанов, как продуктов взаимодействия;
• удаляет посторонние вкусы и запахи.
  

Недостатки:

• требует дорогостоящего оборудования;
• высокие требования к технике безопасности и обучению персонала;
  
• образование вторичных продуктов, токсичных для человека.
  

Неокислительные реагенты для очистки воды

Это сложные органические соединения, которые способны повреждать клеточную структуру микроорганизмов и приводить к неспособности их размножения. Такие реагенты применяются в основном для обеззараживания водопроводов, хозяйственно-бытовых вод, реже питьевой, поскольку такие реагенты, как и производные хлора, нужно удалять с помощью активированного угля непосредственно перед применением воды.

Преимущества:

• высокая эффективность по отношению к микроорганизмам, в том числе биоплёнке;
• отсутствие неприятных запахов;
• удобна форма для транспортировки и хранения.

Недостатки

• недостаточно изученные воздействия на человека и, как следствие, необходимость удалять избыток реагента из питьевой воды;
  
• невозможность сочетать многие реагенты с мембранами.

Использование серебра и других металлов

С давних пор серебро использовалось как дезинфицирующий реагент, при этом воду наливали в серебряные сосуды. Сегодня доказано, что такой метод дезинфекции не эффективен. Определенные результаты дает внесение в воду ионного серебра, а также других металлов, например, меди и олова. Но при предельно допустимых концентрациях (ПДК) время обеззараживания достигает не менее двух часов. Также отмечается, что серебро не эффективно против цист, большинства бактерий и вирусов. Сегодня растворы серебра иногда дозируют в питьевую воду, чтобы уменьшить биологические обрастания тары и оборудования.

Комбинированные методы обеззараживания воды

В ходе такой дезинфекции предусматривается сочетание разнообразных методов для повышения общей эффективности.

Например, ультрафильтрация обеспечивает удаление бактерий и большинства органических примесей. При этом обеспечивает высокий уровень прозрачности воды, что позволяет окончательно обеззаразить воду от вирусов, используя ультрафиолет. Также эффективно применение хлора для такой воды, поскольку низкое содержание органики обеспечивает низкое содержание хлорорганических соединений, опасных для человека.

Мы рассказали все, что знали о технологиях обеззараживания воды. Если у вас остались вопросы, вы можете задать их в комментариях.