АВ 2008г. Выпуск 6 Материалы к разработке Государственной программы "Водная стратегия России"
Приложение 1
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ВОДЫ
I. Обеззараживание воды
Бактериальная загрязненность воды и ее обеззараживание - это очень важная тема, так как микроорганизмы могут появиться даже в самой казалось бы химически безопасной воде. Не стоит забывать, что природная вода, особенно поверхностных водоисточников (хотя подземные воды тоже не всегда свободны от бактерий), является средой обитания многочисленных представителей микро и макроорганизмов животного и растительного происхождения. Все организмы, населяющие водоемы, можно разделить на постоянных и случайных обитателей. Постоянные обитатели, как правило, представляют наиболее многочисленную группу, однако гигиеническое значение их невелико. И, наоборот, в числе случайных, непостоянных обитателей могут находиться патогенные для человека формы организмов (микробы, простейшие, яйца гельминтов и т.п.), попадающие в воду с экскрементами больных людей, животных и бактерионосителей. Таким путем природные воды могут загрязняться микроорганизмами кишечной группы (холерный вибрион, бациллы брюшного тифа, паратифов, дизентерии), лептоспирами (возбудителями инфекционной желтухи, водяной лихорадки), возбудителями туляремии, бруцеллеза, некоторыми вирусами (Коксаки, ЕСНО, полиомиелита, трахомы и др.). Кроме того, в воде могут находиться патогенные простейшие (некоторые амебы, лямблии, балантидии), а также зародыши паразитических червей (аскарид, власоглава, печеночной двуустки, карликового цепня, эхинококка, угрицы, анкилостомы, ришты, кривоголовки американской). Некоторые паразитические черви (лентец широкий, кошачья двуустка, китайская двуустка и др.) непосредственно через воду не передаются, однако цикл их развития на определенных этапах происходит в гидробионтах.
Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) пишет: Инфекционные болезни, вызываемые патогенными бактериями, вирусами и простейшими или паразитическими агентами, представляют собой наиболее типичный и широко распространенный фактор риска для здоровья, связанный с питьевой водой . Разные виды болезнетворной микрофлоры имеют различную выживаемость, которая зависит от множества факторов. К ним относятся в первую очередь такие, как химический состав и физические свойства воды. В таблице приводятся примерные сроки выживания основных видов микроорганизмов в различных водах.
Выживаемость некоторых микроорганизмов в воде:
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из этой таблицы видно, что в большинстве случаев, чем чище вода, тем дольше могут в ней выживать патогенные микроорганизмы. Поэтому в случае их попадания в грунтовые воды из источников загрязнения, они могут в течение длительного времени быть опасными для людей.
Обеззараживание воды - процесс дезинфекции, в ходе которого происходит уничтожение микроорганизмов. Существуют несколько методов обеззараживания воды:
1. Хлорирование воды
Это один из наиболее часто используемых в нашей стране методов обеззараживания воды, применяемый на водопроводных станциях. При этом производится обработка воды хлором, что приводит к разрушению многих органических примесей и гибели микроорганизмов. Иногда хлорирование воды приводит к образованию сильно пахнущих хлорпроизводных продуктов распада. Особенно устойчивыми и неприятными являются запахи, возникающие при содержании в обрабатываемой воде фенолов. Со временем эти запахи усиливаются и не исчезают при нагревании.Но самое плохое, что может происходить при хлорировании воды, это даже не запах. Самое плохое это то, что в процессе обработки происходит недостаточно глубокое разложение органических веществ и возможен непроизвольный синтез новых, даже более токсичных веществ, чем исходные (например, хлорфенолов, хлораминов и др.). При этом следует учитывать и тот факт, что при хлорировании нельзя добиться полной стерилизации и в воде могут оставаться единичные сохраняющие жизнеспособность микроорганизмы.
Отмечены случаи, когда содержание в питьевой воде канцерогенных и других вредных веществ, которые образуются в процессе хлорирования, приводили к 8 - 10-кратному превышению их предельных концентраций.
2. Озонирование воды
Это более высокотехнологичный способ обработки воды, распространенный в развитых странах. Бактерицидное действие озона связано с активным проникновением этой химически активной формы кислорода через клеточные мембраны и последующим окислением органических веществ, что и вызывает гибель бактериальной клетки. Наряду с обеззараживанием, озонирование приводит к улучшению вкуса, уничтожению запахов воды.3. Обеззараживание воды серебром
Бактерицидное действие серебра известно уже давно. Оно связано с процессом соединения ионов серебра с ферментными системами и оболочкой бактерий.Однако, если посмотреть повнимательнее на проблемы, связанные с этим методом дезинфекции, не все выглядит таким радужным, как это пытаются преподнести различные производители в своей рекламе. Не следует забывать что серебро - тяжелый металл, имеющий высокую степень опасности для здоровья (в одном ряду со свинцом, кобальтом, мышьяком и другими веществами). Как и другие тяжелые металлы, серебро способно накапливаться в организме и вызывать заболевания (аргироз - отравление серебром). Кроме того, для бактерицидного действия серебра на бактерии требуются достаточно большие концентрации, а в допустимых количествах (около 50 мкг/л) оно способно оказывать лишь бактериостатическое действие, т.е. останавливать рост бактерий, не убивая их. А некоторые виды бактерий вообще практически не чувствительны к серебру.
Все эти свойства ограничивают применение серебра. Оно может быть уместно только в целях сохранения исходно чистой воды для длительного хранения (например, на космических кораблях). Часто используются серебрение фильтров на основе активированного угля. Это делается с целью предотвратить обрастание фильтра микроорганизмами, т.к. отфильтрованные органические вещества являются хорошей питательной средой для многих бактерий.
4. Обеззараживание воды ультрафиолетовым излучением
Данный метод основан на способности ультрафиолетового излучения с определенной длиной волны губительно действовать на ферментные системы бактерий, вызывая их гибель. Качественной особенностью этого метода является то, что не происходит введения никаких химических соединений, а значит, вода не меняет своих физических, химических и вкусовых свойств. В качестве источника излучения используются ртутные лампы, изготовленные из кварцевого песка.Метод не требует сложного оборудования и легко может применяться в бытовых комплексах водоподготовки в частных домах.
5. Ультразвуковая обработка воды
Колебания среды с частотами, превышающими 20 000 Гц, называются ультразвуковыми. При распространении ультразвука в воде, вокруг объектов, находящихся в ней и имеющих другую плотность, возникают микроскопические области очень высокого давления (десятки тысяч атмосфер), сменяющегося высоким разрежением. Это явление называют ультразвуковой кавитацией. Никакой микроорганизм не способен выдержать такие воздействия и происходит механическое разрушение бактерий. В настоящее время этот способ еще не нашел достаточного применения в системах очистки воды, хотя в медицине он широко используется для дезинфекции инструментария в так называемых ультразвуковых мойках.6. Йодирование воды
Это метод дезинфекции, при котором применяются йодсодержащие соединения. Как бактерицидный агент, йод известен довольно давно и широко применяется в медицине. Сложности связаны с низкой растворимостью йода в воде, поэтому чаще всего используются его органические соединения. Йодированием часто дезинфицируют воду в плавательных бассейнах. Существуют ряд препаратов (йодные таблетки), используемые для индивидуальной дезинфекции воды в походных условиях. По некоторым оценкам это наиболее эффективные средства обеззараживания малых объемов воды в полевых условиях.7. Термический метод (кипячение)
Это, наверное, самый старый и хорошо известный метод, которым мы пользуемся ежедневно. Кипячение является исключительно бытовым методом обеззараживания, однако он не дает полной гарантии гибели бактерий или их спор. Кроме того, при кипячении происходит удаление из воды растворенных в ней газов (кислорода, углекислого газа), что снижает ее вкусовые свойства. При кипячении происходит частичное смягчение воды из-за того, что в осадок выпадает часть солей кальция и магния, которые из растворимых гидрокарбонатных солей переходят в нерастворимые карбонатные. Другие методы обеззараживания воды
Существует еще ряд методик обработки воды, при которых также происходит ее обеззараживание. Но так как обеззараживание не является единственной целью их применения, стоит рассказать о них в следующем разделе (опреснение воды). Это такие методы как обратноосмотическая фильтрация и дистилляция воды.Опреснение воды - методы удаления из нее растворенных солей и других примесей. Эту группу можно в свою очередь разделить на химические и физические методы. Рассмотрим их поподробнее.
1. Химическое осаждение
Этот метод основан на переводе растворенных солей в нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок и удаляются. Применяемые реактивы меняются в зависимости от солевого состава опресняемой воды. К примеру, избыток солей магния осаждается содой, а сульфаты могут быть удалены обработкой гидратом окиси бария. Метод химического осаждения требует использования дорогостоящих реактивов, каждый из которых направлен на строго определенную примесь воды, реагенты не подвергаются регенерации. По этой причине данный метод имеет очень ограниченное применение.2. Ионный обмен
Метод основан на свойстве некоторых веществ обратимо обмениваться ионами с растворами солей. Эти вещества называют ионообменными смолами. Это своего рода твердые электролиты, которые делятся на катиониты и аниониты. 1. Катиониты - вещества типа твердых кислот, у которых анионы представлены в виде нерастворимых в воде полимеров.
2. Аниониты - по своей сути твердые основания, нерастворимую структуру которых образуют катионы. Их анионы (обычно это гидроксильная группа) подвижны и могут обмениваться с анионами растворов.
Химический механизм работы ионообменных смол заключается в последовательном прохождении воды через катионит и анионит. В итоге из воды удаляются катионы и анионы и она тем самым обессоливается. Обменная способность ионообменных смол (ионитов) не бесконечна, постепенно она снижается, и, в конце концов, исчерпывается вовсе. В этом случае требуется регенерация раствором кислоты (катионит) или щелочи (анионит), что полностью восстанавливает исходные химические свойства смол. Эта ценная особенность позволяет использовать их в течение длительного времени. Сложная процедура использования ионообменных смол и их последующей регенерации требует автоматизации, сложной системы управления и необходимое оборудование является довольно громоздким, что ограничивает его применение в быту. В настоящее время данный метод часто включается как один из элементов процесса водоподготовки в частных домах с автономной системой водоснабжения.
3. Электроосмос
Опреснение на принципе электроосмоса производится в специальных аппаратах, представляющих собой электролитическую ванну, разделенную двумя полупроницаемыми мембранами на три отделения. Исходная вода подается в среднюю камеру. Ионы находящихся в воде солей устремляются сквозь мембраны к электроду, имеющему противоположный заряд. Чистая вода остается в средней камере. Данный метод требует затрат электроэнергии, хотя и является достаточно эффективным. Эффективность составляет более 90%, достигая в некоторых случаях 96%. Мембраны имеют ограниченный срок службы, который максимально составляет 5 лет, а при неблагоприятных условиях эксплуатации - значительно меньше. Кроме того, этот метод, как и большинство других методов использующих полупроницаемые мембраны, требует предварительной подготовки очищаемой воды. Есть и еще одна особенность, которая значительно ограничивает применение данного метода. Это то, что все вещества, которые не превратились при растворении в ионы, не реагируют на электрическое поле. Т.е. большинство органических веществ, бактерий, вирусов и т.п. останется в растворе.4. Опреснение вымораживанием
Этот метод основан на том, что образование кристаллов льда при снижении температуры ниже 0 градусов происходит только из молекул воды (явление криоскопии). Вследствие этого пресная вода выделяется в виде льда из раствора. Раствор становится все более и более концентрированным. Если затем слить образовавшийся рассол и растопить лед, то получится обессоленная вода.Этот метод является крайне трудоемким, тем более что автоматизировать его очень сложно. Степень очистки таким методом сложно спрогнозировать и возможно потребуется несколько циклов замораживания-размораживания, чтобы получить действительно обессоленную воду. Кроме того, нельзя гарантировать полной дезинфекции этой воды. Есть и еще одна особенность, связанная с данным методом. Это накопление концентрации так называемой тяжелой воды, химически такой же, как и обычная, но имеющей в своем составе более тяжелый изотоп водорода, который является радиоактивным. Тяжелая вода замерзает первой и сразу включается в состав образующегося льда. Избежать этого можно, только если убирать первую корочку льда, образующуюся в самом начале вымораживания. Это еще больше усложняет и без того не простую методику.
5. Фильтры обратноосмотической фильтрации
Это самые качественные фильтрующие мембраны, способны освободить воду от 99% примесей. Диаметр пор составляет около 0,0001 микрона. Такими мембранами фильтруются даже ионы металлов, не говоря уже об остальных возможных примесях. Обратноосмотическая фильтрация - это метод фильтрации, основанный на явлении так называемого . Прежде чем объяснять, что это такое, стоит определиться, что же такое . Иллюстрацией осмоса может служить простой пример с полупроницаемой мембраной, т.е. такой мембраной, через которую проходят молекулы воды и практически не проникают остальные вещества. Если поместить такую мембрану в качестве разделителя двух частей сосуда, с одной стороны которого налит раствор поваренной соли, а с другой дистиллированная вода, то скоро будет наблюдаться перенос воды в ту часть, где находится рассол и его концентрация станет снижаться. Уровень жидкости в этой части сосуда начнет подниматься, а во второй - опускаться. Если вода и рассол изначально находятся под одинаковым давлением, перенос, снижая различие в концентрациях, всегда происходит из растворителя (более разбавленного раствора) в более концентрированный раствор (рассол). Это природное явление переноса растворителя в рассол получило название осмос, а процесс называется осмотическим. При этом увеличение давления со стороны рассола приводит к уменьшению осмоса, и в определенной точке процесс полностью прекращается. Давление, при котором происходит эта остановка, называется осмотическим давлением. Пожалуй, стоит сказать, что явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Благодаря ему в каждую живую клетку поступают питательные вещества и, наоборот, выводятся продукты жизнедеятельности. Этот природный процесс играет значительную роль в растительных и животных организмах. Итак, вернемся к нашему эксперименту. При дальнейшем увеличении давления на рассол можно поменять направление процесса. В этом случае через мембрану преимущественно будет транспортироваться растворитель, т.е. вода. И именно это явление послужило основой обратноосмотического метода опреснения воды.
Механизм работы полупроницаемых мембран
Для объяснения механизма работы обратноосмотических мембран было выдвинуто несколько гипотез. Согласно так называемой гипотезе гиперфильтрации в мембране существуют поры, пропускающие молекулы воды, и при этом ничтожно малые, чтобы пропускать через себя ионы растворенных в воде солей. Предложенная модель позволила объяснить многие закономерности в работе обратноосмотических систем.Позже была предложена модель сорбционного механизма избирательной проницаемости, согласно которой на поверхности мембраны, т.е. на поверхности раздела сред, образуется слой связанной воды, обладающей пониженной растворяющей способностью. Такой же слой образуется и внутри поры. При фильтрации происходит вытеснение этой воды, при котором вытесненные молекулы заменяются только молекулами воды. И так слой за слоем.
Согласно другой теории, в структуре мембраны вода может находиться в связанном и капиллярном состояниях. Под действием давления через такую мембрану переносится преимущественно пресная вода, непрерывно образуя и разрывая водородные связи.
Особенности метода обратноосмотической очистки воды
В системах обратного осмоса давление входной воды на мембрану соответствует давлению воды в трубопроводе. Важно, что чем выше давление на входе, тем лучше происходит процесс очистки. Это не только увеличивает производительность мембраны, но и улучшает качество очистки. И наоборот, если давление в водопроводной системе низкое, мембрана работать не будет. Поэтому некоторые модели обратноосмотических систем комплектуются специальным насосом для повышения входного давления. Такие системы стоят несколько дороже, но только они способны работать при давлениях ниже 4,2 атмосферы (именно такое давление считается пороговым для обратноосмотических мембран). В процессе очистки концентрация солей со стороны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвращения этого вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий рассол в дренаж. Неорганические вещества очень хорошо отделяются обратноосмотической мембраной. Степень очистки по большинству неорганических элементов составляет от 85 до 98 % в зависимости от типа применяемой мембраны. Обратноосмотическая мембрана также удаляет из воды и органические вещества. Органика с молекулярной массой более 300 удаляется полностью, а с меньшей - может проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бактерий практически полностью исключает вероятность их проникновения через мембрану. В то же время мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она не требует дополнительного кипячения. Вода, прошедшая обработку на обратноосмотической установке, может успешно применяться для решения следующих задач: питьевых нужд, приготовления пищи и напитков, полива растений, аквариумов, систем центрального отопления и даже приготовления электролита аккумуляторных батарей. Хочется также сказать, что мы часто пьем воду, очищенную обратноосмотическим методом, даже и, не подозревая об этом. Это происходит потому, что данный метод часто используется в промышленных системах. Так производится качественная вода для ликеро-водочной, молочной промышленности, производства безалкогольных напитков и продуктов питания. В общем - везде, где требуется вода высокого качества. Многие компании даже наладили продажу этой чистой воды в бутылированном виде. И в этой ситуации именно бытовые обратноосмотические системы позволяют не покупать бутыли, а делать такую же воду самостоятельно.6. Опреснение воды фильтрацией
В процессе фильтрации используется множество различных фильтрующих устройств в зависимости от цели применения. Наиболее часто используемые фильтры:Фильтры-корректоры pH
Это фильтры способные изменять кислотно-щелочное равновесие (рН) проходящей сквозь них жидкости. Необходимость в изменении pH воды возникает в двух случаях: 1. для борьбы с коррозией, т.к. вода с высоким и низким pH обладает высокими коррозийными свойствами; 2. для обеспечения оптимального режима эксплуатации систем очистки воды, так как для нормальной работы некоторых видов фильтрующих сред требуется определенное значение рН.Фильтры-обезжелезиватели
Эти фильтры предназначены для удаления железа и марганца из воды. В качестве реактива в большинстве таких фильтров используется двуокись марганца, который служит катализатором реакции окисления, при которой растворенные железо и марганец переходят в нерастворимую форму и выпадают в осадок. Этот осадок задерживается фильтрующей средой и в дальнейшем вымывается в дренаж при обратной промывке.Фильтры-умягчители
Они предназначены для снижения жесткости воды. Благодаря применению специальных засыпок фильтры этого типа могут обладать комплексным действием и способны удалять из воды определенные количества железа, марганца, нитратов, нитритов, сульфатов, солей тяжелых металлов.Угольные фильтры
Активированный уголь уже достаточно давно применяется в водоочистке для улучшения некоторых показателей воды. В частности такими фильтрами удаляется многие неприятные привкусы и запахи, некоторые органические примеси и т.п. Сейчас вместо активированного угля стали использовать уголь скорлупы кокосовых орехов, адсорбционная способность которого в 4 раза выше. Уже разработаны и другие сорбенты.Угольные фильтры достаточно дешевы и поэтому приобрели довольно большое распространение. Однако их применение имеет ряд больших недостатков:
1. Маленькая пропускная способность. Это связано с тем, что качество фильтрации сильно зависит от скорости прохождения воды через него. Чем ниже скорость, тем лучше фильтрация, и наоборот, при увеличении скорости не только снижается качество фильтрации, но и может произойти сброс адсорбированных ранее примесей. В результате неправильной эксплуатации вода может даже ухудшить свой состав в результате этого сброса.
2. Биообрастание. При фильтрации происходит накопление большого количества органических веществ, которые являются питательной средой для многих микроорганизмов. В результате, через некоторое время использования можно получить более опасную в бактериологическом отношении воду, чем исходная водопроводная. На некоторые современные фильтры наносятся специальные антисептические присадки, задачей которых является предотвращение роста бактерий. Но это палка о двух концах . Безопасность этих присадок для здоровья тоже является большим вопросом. К примеру, серебрение угля повышает содержание в воде серебра, которое является тяжелым металлом.
3. Залповые выбросы загрязнений. Это сбросы уже накопленных загрязнений органической и неорганической природы, а также микроорганизмов, обильно развивающихся внутри фильтра, которые происходят при изменении скорости тока жидкости, или по другим причинам. В результате потребитель может получить воду далеко не того качества, которое ожидалось.
Исходя из этих особенностей, в современных системах очистки воды угольные фильтры используются исключительно для предварительной подготовки воды, которая затем подвергается более качественной очистке. Примером такой системы являются обратноосмотические системы, основной рабочей частью которых является специальная мембрана, но для того чтобы увеличить срок ее службы используются несколько угольных фильтров предварительной фильтрации.
Фильтры механической очистки
Предназначены для удаления грубых частиц размером больше 1 микрона. Это могут быть частицы песка, взвеси, ржавчина, коллоидные вещества. Некоторые бактерии (размером 1-2 микрона) также могут отфильтровываться таким фильтром. Такие фильтры используются обычно в качестве префильтров грубой фильтрации в более сложных системах водоподготовки. Их недостатком является сравнительно низкая грязеемкость, поэтому при сильном загрязнении воды или больший производительности системы они требуют частой промывки.Фильтры микрофильтрации
Это фильтры с порами от 0,03 до 2 микрон. В эту категорию входят мембранные фильтры, способные удалить большинство бактерий, волокна асбеста, некоторые вирусы и сажу. Это также довольно грубая фильтрация, но приборы, использующие ее, довольно дешевы и поэтому пользуются популярностью.Фильтры ультрафильтрации
Более тонкие и высокотехнологичные фильтры. Они способны отфильтровывать частицы размером от 0,003 до 0,1 микрона, т.е. способны отфильтровать даже мелкие вирусные частицы и некоторые бактериальные токсины.Фильтры нанофильтрации
Позволяют осуществлять довольно качественную фильтрацию частиц размером от 0,0006 до 0,009 микрон, а это уже гербициды, пестициды, токсины, синтетические краски. Это более высокотехнологичные мембраны способные освободить воду от большинства опасных примесей. Но даже этим мембранам не под силу освободить воду от ионов тяжелых металлов и различных солей.