Технології знезараження води

До важливих параметрів води відносяться її мікробіологічні показники. Раніше ми вже писали про мікроорганізми, які можуть жити в воді. Сьогодні зупинимося на тому, як запобігти їх розмноженню і, відповідно, негативному впливу.

Мікроскопічних мешканців водного середовища за їх впливом можна розділити на дві групи:

1. Бактерії, грибки та водорості, які викликають обростання трубопроводів, теплообмінників, ємностей для зберігання води, деталей фільтрів тощо. Вони зазвичай потрапляють у воду з поверхневих джерел і розмножуються в сприятливих умовах.
2. Патогенні та умовно патогенні мікроорганізми: віруси, бактерії, грибки, яйця глистів, які здатні викликати інфекційні захворювання у людини та тварин.

Методи знезараження води класифікуються за принципом дії на:

• фізичні або безреагентні, де знезараження відбувається завдяки впливу фізичних факторів (кип'ятіння, ультрафіолет, електроліз, зворотний осмос);
• хімічні або реагентні методи, при кикористанні яких в воду вносяться деякі реагенти (хлор, озон, неокиснювальні реагенти);
• комбіновані методи передбачають поєднання обох технологій, наприклад ультрафільтрації та хлорування.

На схемі нижче можна зрозуміти класифікацію методів знезараження детальніше.

Фізичні методи знезараження води

Знезараження без використання реагентів має свої переваги. Головною перевагою таких методів зазвичай є відсутність вторинного забруднення розчинами дезінфектантів, але всі ці методи мають один суттєвий недолік — вода може бути повторно заражена мікроорганізмами, оскільки методи не мають пролонгованого ефекту.

Кип'ятіння

Це, мабуть, найпростіший спосіб знезаразити воду в домашніх і польових умовах. При впливі підвищеної температури структура ДНК більшості патогенних мікроорганізмів пошкоджується, і вони не здатні продовжувати розмноження. Кип'ятіння ефективно проти всіх мікроорганізмів, які утворюють спори.

Важливо зазначити, що для знезараження воду не просто треба довести до кипіння, а прокип'ятити її не менше п'яти хвилин.

Переваги:

• простота виконання;
• відсутність необхідності в додатковому обладнанні;
• ефективність щодо більшості патогенних мікроорганізмів;
• крім знезараження знижується рівень жорсткості та каламутності.

Недоліки:

• суттєве зростання енергоспоживання при підвищенні об'єму води;
• висока тривалість;
• можливість вторинного забруднення.

Ультрафіолет

Ще з давніх-давен людство знає про корисну дію сонячних променів. Завдяки ультрафіолету, який є однією зі складових спектра УФ-випромінювання, вони здатні руйнувати структуру тиміну в ДНК клітин мікроорганізмів. Внаслідок чого бактерії та віруси втрачають здатність до розмноження як у воді, так і в організмі людини.

Найпримітивнішим виконанням УФ-знезараження води є SODIS-метод. Вода, очищена проціджуванням від великих механічних частинок розміром понад 50 мкм, заливається в пляшки з PET (поліетиленфталату), які розміщуються на поверхні під прямими сонячними променями. Головним недоліком даного методу є необхідність активного сонячного світла. Метод максимально ефективний в смузі між 35 градусами південної та північної широти, в таких широтах знезараження займе близько шести годин. При зниженні інтенсивності сонячного світла зростає тривалість знезараження.

Прилади для знезараження води виробляються в формі циліндричних механічних трубок з випромінювачем в кварцовому рукаві. Вода надходить в корпус і тонким шаром обтікає рукав, внаслідок чого просвічується УФ-променями та знезаражується. Довжина хвилі в більшості таких приладів близько 250 нм.

Сьогодні такі пристрої використовуються для превентивного знезараження, як питної, так і господарсько-побутової води після систем комплексного очищення. Встановлення такого випромінювача запобігає заростанню трубопроводів, деталей фільтра, пральної машини тощо.

Переваги:

• метод простий у використанні;
• не вимагає громіздкого обладнання;
• відсутня необхідність в постійному дозуванні реагентів;
• не вносить в воду вторинне забруднення на відміну від дезінфекції реагентами;
• низьке енергоспоживання.

Недоліки:

• не ефективний щодо широкого спектра мікроорганізмів, для забруднених патогенами вод рекомендуються комбіновані методи;
• необхідна регулярна заміна випромінювача;
• вода перед пропусканням через прилад має бути очищена від механічних частинок, оскільки вони здатні знижувати ефективність методу на 50%;
• відсутність пролонгованої дії.

Зворотний осмос та ультрафільтрація

Розміри пор мембран зворотного осмосу в 4000 разів менші найменших бактеріальних клітин і в 200 разів менші вірусних частинок. Тому такі фільтри здатні затримувати 100% мікроорганізмів. Технологія використовується переважно для очищення питної води. Саме вона є основою для побутових фільтрів, вендінгових автоматів, кіосків розливу води та навіть виробництва харчових продуктів та напоїв. Почитати про зворотного осмосу більш детально можна тут.

Переваги:

• видалення 100% вірусів і бактерій;
• компактні розміри та висока продуктивність;
• екологічність;
• видалення крім мікробіологічних забруднень інших токсикантів: важких металів, органічних речовин, хлору та ін.

Недоліки:

• досить висока вартість технології;
• великий обсяг стічних вод — від 20 до 70% виходу, в залежності від розміру мембрани та тиску;
• відсутність пролонгованої дії, що обмежує використання води безпосередньо в точці отримання. Або ж вода вимагає комбінованого знезараження.

Ультрафільтраційна мембрана має досить великі розміри пор, які можуть частково пропускати частинки вірусів, тому даний метод може використовуватися тільки в комбінації з реагентами або ультрафіолетом.

Реагентні методи знезараження води

Реагентне знезараження води, як ви здогадалися, полягає у внесенні в воду певних речовин. Ці сполуки діляться на дві групи:

• Окислювальні — руйнують клітинну структуру мікроорганізму шляхом його окислення, при цьому відновлюючись до менш активних сполук.
• Неокиснювальні — надають бактерицидну дію завдяки специфічним впливам на мікроорганізми, припиняючи їх розмноження.

Нижче ми поговоримо про основні методи знезараження, їх недоліки та переваги.

Хлорування

Цей метод полягає у внесенні в воду сполук, які містять активний хлор здатний окислювати мікроорганізми та органічні речовини.

Нижче наведемо основні хлорні дезінфектанти:

• Власне хлорна вода — має хороший дезінфікуючий ефект, легко дозується в воду. Недоліком є підвищені вимоги безпеки при зберіганні.
• Гіпохлорит натрію або кальцію сьогодні найпоширеніші дезинфікуючиі реагенти. Виробляються в формі грануляту, який розчиняється у воді та дозується в рідкому вигляді. Їх зручно транспортувати, але при цьому вони не ефективні проти цист і при тривалому зберіганні знижується ефективність.
• Солі хлорізоціанурової кислоти, які використовуються переважно в технічних цілях для басейнів, ємностей, систем вторинного водопостачання, але іноді й для знезараження питної води в польових умовах. Препарати виробляються в формі таблеток, зручні для транспортування і зберігання, мають високу ефективність.
• Хлораміни використовуються на станціях централізованої водопідготовки, дозуються в воду в формі розчину. Перевагою даного методу є тривала післядія. Недоліками — більш виражений запах і нижча ефективність.
• Діоксид хлору — один з найсильніших хлорних окиснювачів, утворює замало побічних продуктів, але отримати його можна тільки в місці використання, тому не поширений в водопідготовці.
• Хлорне вапно (суміш гіпохлориту, хлориду і гідроксиду кальцію).

На сьогодні хлорування є найпоширенішим методом знезараження води. Це зумовлено високою ефективністю хлору стосовно 99% мікроорганізмів і його тривалою післядією. Це означає, що вода, яка подається в трубопровід, містить невелику кількість хлору. Він може окиснювати домішки, в тому числі мікроорганізми, хлор, органічні речовини, які викликають кольоровість води.

Чим небезпечний хлор для людини?

Тут варто говорити про два фактори, активний хлор, який викликає хлорний запах води з-під крана або в басейні, має властивості підсушувати шкіру і волосся, викликати подразнення слизових носа та очей. Але при цьому він швидко виділяється з води при відстоюванні та реальної небезпеки людині не несе.

Але є і приховані наслідки використання хлору, як дезинфектанта. Це утворення продуктів взаємодії хлору з органічними речовинами, які знаходяться в поверхневих водах, мікробіологічними обростаннями на поверхні трубопроводів. Ці сполуки називають "тригалометани" (вуглеводні, в яких один або кілька атомів заміщено хлором). Найпоширенішим забруднювачем вод є хлороформ (70 - 90% всіх тригалометанів).

Токсичність таких сполук має два механізми:

• беручи участь у метаболізмі, хлорорганіка сприяє виділенню токсикантів, що мають системну дію;
• в другому шляху взаємодії утворюються вільні радикали, які мають канцерогенну дію.

Дослідження, які багаторазово проводилися на територіях різних країн, показують кореляцію вживання для пиття хлорованої води з розвитком онкологічних захворювань шлунково-кишкового тракту.

Але проблема хлорорганики успішно вирішується навіть завдяки найпростішим магістральним вугільним фільтрам.

Озонування

Озон є сильним окислювачем. Він ефективний проти всіх мікроорганізмів та їх спор. Але при цьому не ефективний для видалення біоплівки, відповідно, не підходить для знезараження ємностей і басейнів.

Озон отримується безпосередньо в місці водопідготовки на спеціальних установках-озонаторах, які містять генератор озону, колону для розчинення та взаємодії його з водою і механічний фільтр для видалення окиснених частинок. На малюнку приведена схема процесу.

Внаслідок взаємодії озону з водою утворюються альдегіди, кетони, органічні кислоти, які теж мають токсичну дію. Тому після озонування також необхідне використання фільтрів з активованим вугіллям.

Переваги:

• висока ефективність стосовно всіх мікроорганізмів;
• відсутність тригалометанів, як продуктів взаємодії;
• видаляє сторонні смаки та запахи.

Недоліки:

• вимагає дорогого устаткування;
• підвищені вимоги до техніки безпеки та навчання персоналу;
• утворення вторинних продуктів, токсичних для людини.

Неокиснювальні реагенти для очищення води

Це складні органічні сполуки, які здатні пошкоджувати клітинну структуру мікроорганізмів, що в результаті призводить до припинення їх розмноження. Такі реагенти застосовуються в основному для знезараження водопроводів, господарсько-побутових вод, рідше питної, оскільки такі реагенти, як і похідні хлору потрібно видаляти за допомогою активованого вугілля безпосередньо перед застосуванням води.

Переваги:

• висока ефективність стосовно мікроорганізмів, в тому числі біоплівки;
• відсутність неприємних запахів;
• зручна форма для транспортування і зберігання.

Недоліки:

• недостатньо вивчений вплив на людину, і необхідність видаляти надлишок реагенту з питної води;
• неможливість застосування в комбінації з окисниками.

Використання срібла та інших металів

З давніх-давен срібло використовувалося як дезінфікуючий реагент, коли воду наливали в срібні ємності. Сьогодні доведено, що такий метод дезінфекції не ефективний. Певні результати помічені після внесення в воду іонного срібла, а також інших металів, наприклад міді й олова. Але при граничнодопустимих концентраціях (ГДК) час знезараження досягає не менше двох годин. Також наголошується, що срібло не ефективне проти цист, більшості бактерій і вірусів. Сьогодні розчини срібла іноді дозують в питну воду, щоб зменшити біологічні обростання тари та обладнання.

Комбіновані методи знезараження води

В ході такої дезінфекції передбачається поєднання різноманітних методів для підвищення загальної ефективності.

Наприклад, ультрафільтрація забезпечує видалення бактерій і більшості органічних домішок. При цьому забезпечує високий рівень прозорості води, що дозволяє остаточно знезаразити воду від вірусів, використовуючи ультрафіолет. Також ефективним є застосування хлору для такої води, оскільки низький вміст органіки забезпечує низький вміст хлорорганічних сполук, небезпечних для людини, але при цьому зберігається пролонгована дія хлору.

Ми розповіли все, що знали про технології знезараження води. Якщо у вас залишилися питання, ви можете задати їх у коментарях.