Комбинированные физико-химические методы интенсификации процессов обеззараживания

К числу перспективных физических методов интенсификации процессов обеззара­живания воды, разработанных в НИИ РАН, институте коллоидной химии и химии воды АН Украины и других научно-исследовательских организациях, относятся:

• усиление антимикробного эффекта катионов путем наложения электрического поля;
• использование ультразвука;
• применение электродиализа;
• прямой электролиз хлоридов, содержащихся в природных водах (особенно высо­коминерализованных) ;
• совместное воздействие УФ-облучения и перекиси водорода;
• использование посеребренного активированного угля.

Теоретические основы бактерицидного воздействия постоянного электрического поля объясняются повышением чувствительности микробных клеток к антимикробным агентам. Действие постоянного электрического поля с напряженностью от 30 до 10 В/см² на бактерии Ecoli, осуществляемое в электролизере с графитовыми электрода­ми, наиболее сильно проявляется при наличии в воде катионов серебра, меди, цинка, железа с их концентрацией до 0,1 мг-ион/л и усиливается с увеличением продолжительности обработки воды до 60 и более секунд.

При более низких концентрациях (0,002-0,005) антимикробный эффект катионов в условиях наложения электрического поля проявляют только ионы серебра.

Эффективность бактерицидного воздействия ионов металлов во времени

Значительно повысить дезинфицирующее действие малых доз хлорреагентов, пе­рекиси водорода, УФ-облучения можно посредством ультразвука (УЗ). Этот метод осо­бенно перспективен в случаях обеззараживания недостаточно очищенных вод. Гибель микробов Ecoli при ультразвуковой обработке воды возрастает с увеличением экспози­ций до 10 и более минут. Так, при действии ультразвука с частотой 820 кГц и напряжен­ностью поля 30 В/см² при содержании кишечной палочки в воде до 104 мг/мл гибель микробов возрастала от 0,5% при времени воздействия 0,5 мин до 80% при времени воз­действия 10 мин.

В связи с широким применением первичного и вторичного хлорирования воды в коммунальном водоснабжении в системах подготовки и транспортировки хлорирован­ной воды могут оставаться хлоррезистентные микроорганизмы, сохраняющие свою жизнедеятельно сть.

В этих условиях повышение бактерицидной надежности очищенной воды можно до­стичь применением электролитических растворов серебра. Значительные положительные результаты испытаний этого метода были получены в Институте коллоидной химии и химии воды АН Украины и Институте медико-биологических проблем России.

Механизм действия серебра на микробную клетку заключается в сорбировании се­ребра клеточной оболочкой проникновением ионов серебра внутрь клетки и блокиров­кой им бактериальных ферментов. В результате последнего клетка погибает. Опытами установлено, что вода, обработанная серебром в концентрации 0,1 мг/л, может сохра­нять высокие санитарно-гигиенические свойства в течение года.

Обеззараживание и консервирование питьевой воды осуществляют в ионаторах, конструктивно состоящих из электролизера с анодным растворением серебряных элек­тродов, датчиков расходов воды и системы управления трубопроводами и блока автома­тики. Блок автоматики контролирует и обеспечивает требуемую продолжительность ра­боты ионатора, переключение полярности питающего электроды напряжения через 10-20 мин, отключение его работы при прекращении подачи воды.

Характеристики работы ионатора ЛК-34(с)

Характеристика воды (растворите­ля концентрата)	Сила тока, А	Время элек­тролиза, мин	Концентрация серебра в ем­кости, мг/л	Выход се­ребра по току, %	Точность дозирова­ния, %
Водопроводная вода Сl-= 15 мг/л Р = 200 мг/л	3	6-7	52-60	91	5-20
Водопроводная вода Сl- = 350 мг/л S042- = 500 мг/л	3	6-7	35-45	70	8-30

Помимо серебряных электродов в электролизерах электрорастворение серебра осу­ществляют с поверхности угольных электродов. Приготовление серебряной воды в ма­лых водоочистных устройствах осуществляют с использованием посеребренного акти­вированного угля.

В Новочеркасской государственной мелиоративной академии разработана техноло­гия обеззараживания воды на основе комбинирования УФ-облучения, пероксида водо­рода и обработки ионами серебра, позволяющая в ряде случаев исключить применение хлора на финишной стадии подготовки питьевой воды. В результате этого снижается уровень экологической опасности системы водоподготовки в целом.

Введение ионов в воду, подвергаемую в дальнейшем бактерицидной обработке пе­роксидом водорода и УФ-лучами, сопровождается значительным (на порядок и более) повышением интегрального уровня обеззараживания. Это явление вызвано собственны­ми относительно высокими бактерицидными свойствами указанных ионов и их дли­тельным бактерицидным действием, а также ускорением процессов химического и фо­тохимического разложения пероксида водорода и отчасти воды, приводящих к образо­ванию (согласно литературным данным) суперактивных в бактерицидном отношении радикалов ОН, и вероятным образованием обладающих аналогичными свойствами час­тиц Ag²⁺.

Вполне очевидно, что последние могут существовать только в сильно окислитель­ной среде, создаваемой совместно молекулами Н₂0₂, частицами ОН и УФ-воздействием. После прекращения УФ-облучения и разложения Н₂0₂ условия для существования частиц Ag⁺ исчезают, и они вновь переходят в стабильное состояние. Нахождение по­следних в воде придает ей способность длительно сопротивляться вторичному бактери­альному загрязнению. Это обстоятельство является дополнительным аргументом в пользу применения ионов серебра и меди в процессах обеззараживания воды, основан­ных на использовании дезинфектантов химической природы.

Эффект обеззараживания воды при различных комбинациях бактерицидов,включая ионы серебра с концентрацией 0,02 мг/л (N₀ = 108 кл/см³)

Комбинация	Доза УФ-излучения, мДж/см2	Величина показателя Nt/N0по истечении времени экспозиции, ч				Эффект от введения Ag+, кратность превышения
		0,5	1,0	1,5	2,0
Н202 + УФ	3	-3,3	-4,3	-4,5	-4,55	44,7
Ag++ Н202 + УФ		-4,0	-5,05	-5,7	-6,2
Н202 + УФ	6	^.35	-4,8	-5,0	-5,0	12,9
Ag++ Н202 + УФ		-4,85	-5,45	-6,0	-6,1
Н202 + УФ	9	-5,0	-6,0	-6,4	-6,5	11,0
Ag++ Н202+УФ		-6,3	-7,25	-7,5	-7,55
Н202 + УФ	12	-5,5	-6,25	-6,45	-6,55	35,5
Ag++ Н202 +УФ		-7,0	-7,55	-8,0	-

Из анализа полученных результатов следует, что по среднегодовым эквивалентным затратам наиболее перспективной может считаться технология, основанная на использо­вании УФ-облучения и ионов серебра, полученных путем растворения сульфата серебра.

Эквивалентные затраты на реализацию различных технологий обеззараживания воды на водоочистной станции ГРЭС г. Новочеркасска

Технология	Инвестиционные затраты, тыс. руб/год	Текущие затраты, тыс. руб/год	Экологические ущербы, тыс. руб/год	Эквивалентные затраты, тыс. руб/год
Хлорирование (базовый вариант)	66,0	34,28	20469,2	24621,3
УФ-облучение + ионы серебра (электролиз)	2325,5	240,98	0,0107	3000,3
УФ-облучение + ионы серебра (растворение Ag2S04)	2177,5	240,98	0,0107	2852,3

В ряде случаев, особенно если система обеззараживания функционирует в центре города, для обеззараживания воды целесообразно применение в комплексе с УФ-облучением гипохлорита натрия.

Оценка различных альтернативных методов обеззараживания в системе водоснабжения г. Уфы показала целесообразность применения гипохлорита натрия в комплексе с УФ-облучением. УФ-облучение служит для инактивации патогенных мик­роорганизмов, а гипохлорит натрия обеспечивает продолжительный бактерицидный эф­фект в водопроводной сети. Применение подобной схемы показало высокую эффектив­ность обеззараживания на Северном ковшовом водозаборе г. Уфы.

Для определения доз реагентов и разработки схемы обеззараживания в составе дей­ствующих сооружений были проведены исследования и тестовые испытания, которые позволили установить, что:

• при повышенном содержании в воде колифагов (до 20 БОЕ/100 мл) применение исключительно хлорирования не гарантирует их полного удаления;
• комплексное воздействие УФ-облучения и гипохлорита натрия во всех случаях яв­ляется эффективным средством обеззараживания воды, независимо от порядка следова­ния стадий очистки;
• УФ-облучение воды после ее хлорирования увеличивает степень дезактивации хлорагента в обрабатываемой воде до 50%, по сравнению с вводом только хлорагента без УФ-облучения. Следовательно, уменьшение концентрации остаточного хлора из-за действия УФ-облучения предполагает проведение хлорирования после УФ-обеззаражи- вания с использованием дозы хлорагента, необходимой для соблюдения норматива Сан­ПиН 2.1.4.1074-01 по содержанию остаточного хлора;
• точка ввода гипохлорита натрия должна располагаться практически сразу после проведения УФ-облучения;
• дозы гипохлорита натрия по активному хлору определяются по хлорпоглощаемо- сти обрабатываемой воды после УФ-облучения;
• доза УФ-облучения составляет не менее 16-25 мДж/см².

Для получения раствора гипохлорита на­трия путем электролиза в солевом растворе используется установка фирмы Wallace &Tieman (Англия), состоящая из электролизеров модульной конструкции OSEC В-1-200.

В состав установки помимо электролизеров входят сатураторы, предназначенные для получения насыщенного раствора поваренной соли (31-32% массы), и двухцилин­дровые установки для умягчения воды непрерывного действия, с засыпкой ионообмен­ных смол. Вода, используемая для приготовления солевого раствора, должна иметь жесткость, не превышающую 17 мг/л по СаС0₃, в противном случае понижается произ­водительность установки и появляется риск сбоя в работе.

В соответствии с требованиями производителя установки, в исходном продукте (поваренной соли) должно содержаться не менее 99,8% хлорида натрия.

Основными характеристиками электролизера В1-200 являются: расход соли 3-3,9 кг (на 1 кг эквивалентного хлора); расход электроэнергии 4,5 кВтч/кг эквивалентного хлора; концентрация гипохлорита натрия 0,7-0,9% массы в пересчете на активный хлор. Гарантия на аноды не менее 5 лет. Промывка анодов осуществляется без их демонтажа. Весь процесс электролиза осуществляется автоматически и контролируется на панели управления.

При реконструкции очистных сооружений Северного городского водопровода г. Уфы замена сжиженного хлора на УФ-облучение и использование в качестве хлора­гента гипохлорита натрия позволили сохранить водопроводные сооружения в черте го­рода, исключив потенциальную угрозу от утечки хлора для прилегающей жилой заст­ройки и населения, а также повысить надежность процессов водоподготовки.

Принятая схема производства гипохлорита натрия обеспечивает возможность отпу­ска готового продукта в автотранспорт и розлива в тару различного объема, что предо­пределяет его многоцелевое применение:

• для обеззараживания на трех других инфильтрационных водозаборах малой произ­водительности по схеме УФ-облучение + хлорирование привозным раствором гипохло­рита натрия;
• для дезинфекции резервуаров чистой воды при их промывке раствором гипохлори­та натрия;
• для дезинфекции сетей и водоводов в аварийных ситуациях и по необходимости для промывки разводящей сети при ухудшении показателей качества воды.

Схема получения гипохлорита натрия электролизным способом с помощью системы OSEC

1 - соляной сатуратор; 2 - насос-дозатор рассола; 3 - расходомер для рассола; 4 - расходомер воды для разбавления; 5 - электролизер; 6- раствор гипохлорита натрия; 7 - источник электропитания (выпрямитель); 8 - выброс водорода; 9 - резервуар для хранения гипохлорита натрия; 10 - главная и резервная воздуходувки; 11 - насос-дозатор гипохлорита натрия; 12 - магистральный водопровод; 13 - панель управления; 14 - подача воды; 15 - умягчитель воды.