Перед сбросом в естественные водоемы стоки дезинфицируют, чтобы уничтожить патогенные микроорганизмы. Дезинфекция должна вызывать гибель бактерий, вирусов и других патогенных микроорганизмов в питьевой воде перед ее подачей потребителям.

В технологии водоподготовки известно много способов обеззараживания воды, которые можно классифицировать на четыре основные группы: термический; с помощью сильных окислителей; олигодинамия (воздействие ионов благородных металлов); физический (с помощью ультразвука, радиоактивного излучения, ультрафиолетовых лучей).

Из перечисленных методов наиболее широко применяют методы второй группы. В качестве окислителей используют хлор, диоксид хлора, озон, йод, марганцовокислый калий, пероксид водорода, гипохлорит натрия и кальция. В свою очередь, из перечисленных окислителей на практике отдают предпочтение хлору, озону, гипохлориту натрия. Выбор метода обеззараживания воды производят, руководствуясь расходом и качеством обрабатываемой воды, эффективностью ее предварительной очистки, условиями поставки, транспорта и хранения реагентов, возможностью автоматизации процессов и механизации трудоемких работ.

Обеззараживанию подвергается вода, уже прошедшая предшествующие стадии обработки, коагулирование, осветление и обесцвечивание в слое взвешенного осадка (или отстаивание), фильтрование, т. к. в фильтрате отсутствуют частицы, на поверхности или внутри которых могут находиться в адсорбированном виде бактерии и вирусы, оставаясь, таким образом, вне воздействия обеззараживающих средств.

2.5.1. ХЛОРИРОВАНИЕ И БРОМИРОВАНИЕ

Наиболее распространенным методом обеззараживания является хлорирование. В настоящее время на малых очистных станциях применяется несколько типов установок для приготовления дозирования растворов, содержащих активный хлор. К первому типу относятся установки по хлорированию воды хлорной известью (СаСl₂O) или порошкообразными гипохлоритами (Са(OС1)₂). Принцип их действия сводится к приготовлению раствора требуемой концентрации и последующей подаче его в воду. Ко второму типу относятся установки, которые позволяют получить обеззараживающие хлорпродукты из исходного сырья – поваренной соли – непосредственно на месте потребления. Такими установками являются электролизеры, предназначенные для приготовления электролитического гипохлорита натрия. К третьему типу относятся установки, позволяющие осуществлять обеззараживание воды путем его прямого электролиза. Этот метод безреагентный, поскольку обеззараживающие продукты образуются за счет электролитического разложения хлоридов.

Хлор (Сl₂). Хлор, используемый для дезинфекции, может находиться в воде в виде свободного (НОС1, ОС1) или связанного (неорганический и органический (хлорамин)). Бактерицидный эффект гипохлорита (НОСl) значительно выше, чем эффект от иона хлора и хлорамина. Следовательно, для целей дезинфекции предпочтительнее использование свободного хлора (при рН < 8).

Монохлорамин (NH₂CI). Хлорамин образуется при добавлении аммония к очищенной воде, содержащей свободный хлор. Использование предварительно приготовленного монохлорамина устраняет вероятность возникновения не только неконтролируемых реакций между хлором и органическими соединениями, но и ухудшения органолептических свойств воды и неприятного запаха. К тому же предотвращается образование тригалометанов (ТНМ).

Реакция в растворе сернокислого аммония ((NH₄)₂SO₄) и хлорноватистого натрия (НОСl) при рН > 8,5 приводит к образованию монохлорамина, который может дозироваться непосредственно в воду.

Достоинствами метода хлорирования являются следующие:

• технологическая простота процесса хлорирования;
• недефицитность хлора;
• самая малая энергоемкость по сравнению со всеми остальными методами обеззараживания;
• самые малые капитальные затраты на реконструкцию существующего хлорного хозяйства ЛOC по сравнению с другими методами;
• хлорирование обеспечивает консервацию воды после обеззараживания при остаточной дозе хлора > 0,5 мг/дм³.

Недостатками метода являются следующие:

• образование в воде под действием хлора хлорорганических соединений, обладающих токсичностью и оказывающих отрицательное влияние на различные водные организмы при попадании в водоемы, а также на человека и животных при попадании в питьевую воду;
• хлор относится к АХОВ (аварийно химически опасным веществам) и при его транспортировке, хранении и использовании необходимо соблюдение специальных мер по обеспечению безопасности обслуживающего персонала и населения.

Наиболее важной нежелательной реакцией при дезинфекции хлором является, конечно, реакция между хлором и аммиаком, присутствующим в сточной воде, протекающая с образованием хлора- минов. Хлорамины даже при очень низких концентрациях ядовиты для рыб. Хлор может давать хлорорганические соединения (диоксины), которые потенциально ядовиты для человека.

При обработке сточных вод хлором либо обеспечивается полная дезинфекция, либо небезопасно остаточное содержание хлора. Этопривело к необходимости изучения других дезинфицирующих агентов, например хлорида брома, хлорирования с последующим дехлорированием диоксидом серы.

Хлорид брома – тяжелая, дымящая, темно-красная жидкость с резким запахом, находящаяся в равновесии с бромом и хлором как в газообразной, так и в жидкой фазе:

2ВгСl → Br₂ + Cl₂.

Большинство физических свойств хлорида брома имеет промежуточное значение между свойствами брома и хлора.

За исключением некоторых отличий, химические свойства хлорида брома похожи на химические свойства хлора. Химически это очень активный окислитель как в жидком, так и в газообразном состоянии. Жидкий BrCl быстро действует на кожу и другие живые ткани, вызывая раздражение и ожоги, которые очень медленно заживают, и, как и хлор, даже относительно низкие концентрации паров BrCl действуют сильно раздражающе и болезненно на дыхательные пути.

Реакции хлорида брома с водой, аммиаком и различными восстановителями, включая органические вещества, являются дополнением к его дезинфицирующему действию. Хлорид брома подвергается гидролизу исключительно до бромноватистой кислоты – активного дезинфицирующего средства, которая активнее при более высоких значениях рН, чем хлорноватистая кислота, образующаяся при гидролизе хлора:

BrCl + Н₂O → HOBr + НСl.

Гидролиз хлорида брома протекает быстрее гидролиза брома и хлора, что связано с полярностью молекулы BrCl.

В сточной воде хлорид брома и продукты его гидролиза быстро реагирует с аммиаком, образуя бромамины, в основном моно- и ди- бромамины:

ЗВгСl + 2NH₃ → NH₂Br + NHBr₂ + ЗНСl.

Оба более химически активны, но менее стабильны, чем соответствующие хлорамины. Преимуществом бромаминов является их относительно высокая бактерицидная активность и низкая устойчивость по сравнению с хлораминами. Эти свойства обусловлены, вероятно, более слабыми силами связи у бромных соединений по сравнению с хлорными аналогами.

Бромамины проявляют очень сильные бактерицидные свойства, и для достижения максимальной дезинфекции нет необходимости создавать условия, чтобы в растворе появился свободный бром, как это необходимо в случае хлора. Чтобы получить эффективные остаточные концентрации свободного хлора, необходим девяти-десятикратный по массе избыток хлора по отношению к аммиаку.

Бромамины дают также более быстрое и полное обезвреживание вирусов, чем хлорамины. Вирус Polio II в присутствии 10 мг/дм³ аммиака был обезврежен хлоридом брома менее чем за 5 мин, тогда как эквивалентные концентрации хлора не могли обезвредить все вирусы даже через 60 мин.

При исследовании эффективности дезинфекции сточных вод подсчеты общего содержания бактерий в биологически очищенных сточных водах, обработанных BrCl, давали постоянно более низкие значения, чем после обработки эквивалентными массовыми частями хлора. Данные, подтверждающие более высокие эффективность и скорость обезвреживания хлоридом брома, приведены в табл. 2.15.

Таблица 2.15

Эффективности дезинфекции биологически очищенных сточных вод хлоридом брома и хлором

Примечание: * общее содержание колиформных бактерий в необработанной сточной воде равно 6 • 105/100 см3, взвешенных веществ -– 18 мг/дм³, рН = 7,3, Т= 14 °С.

2.5.2. ОЗОНИРОВАНИЕ

Наиболее эффективным способом обеззараживания является обеззараживание сточных вод озонированием.

Озон – сильный окислитель, его бактерицидное действие на патогенные микроорганизмы в 15-20 раз выше хлора, а на споровые формы бактерий примерно в 300-600 раз. Число бактерий после озонирования уменьшается в среднем на 99,8 %.

Но метод технически сложен, т. к. для его реализации необходимо выполнение ряда последовательных вспомогательных операций: очистка воздуха, его сушка и охлаждение, синтез озона в реакторах, смешение озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой, отвод и деструкция остаточной озоно-воздушной смеси, отвод ее в атмосферу.

Озон токсичен, вызывает раздражение слизистых оболочек глаз и поражает органы дыхания. Скорость распада озона возрастает с увеличением солесодержания, значений рН и температуры воды. При повышении температуры с 1 до 20 °С скорость распада озона возрастает в 22 раза, а при повышении рН воды с 7,6 до 9,2 – в 15 раз. Озонирование ведется при высоких концентрациях озона и рН = 8,5. Допустимое содержание озона в воздухе составляет не более 0,001 мг/м³. Озон вызывает активную коррозию оборудования и трубопроводов и требует применения нержавеющих материалов.

Обеззараживающий эффект достигается за счет отщепления от него атомарного кислорода, являющегося сильным окислителем.

Принципиальная технологическая схема установки озонирования сточных вод с барботажным абсорбером представлена на рис. 2.39. Сточная вода попадает в смеситель, в котором она смешивается с реагентами для получения требуемого значения рН, и далее насосом подается в барботажный адсорбер, а оттуда – в сборник очищенной воды. Озоно-воздушная смесь поступает в барботажный адсорбер с озонаторной установки. Отработанные газы из адсорбера направляются в аппарат для очистки и затем сбрасываются в атмосферу. Возможна также подача этих газов на рекупирацию озона.

Озонирование воды безопаснее хлорирования, но тоже имеет свои недостатки. Озон очень нестоек и быстро разрушается, поэтому его бактерицидное действие непродолжительно.

Достоинствами метода являются следующие:

• озонирование считается экологически чистой технологией, т. к. не применяются реагенты;
• озон имеет более высокий вируцидный эффект по сравнению с хлором, устраняет привкусы и запахи, окисляет фенолы, СПАВ, нефтепродукты, снижает величину ХПК.

Рис. 2.39. Принципиальная технологическая схема установки очистки сточных вод озонированием:
1 – смеситель; 2 – насос; 3 – барботажный адсорбер; 4 – сборник очищенной воды;
5 – озонаторная установка; 6 – аппарат для очистки

К недостаткам метода можно отнести следующие:

• значительные капитальные затраты;
• очень высокая энергоемкость;
• необходимость применения оборудования и трубопроводов из нержавеющей стали;
• при озонировании образуются побочные продукты, классифицируемые как токсичные – броматы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, хиноны, фенолы;
• сложность и многооперационность технологического процесса получения озона из воздуха;
• токсичность озона;
• необходимость переоборудования существующей хлоратор- ной в электролизерную для предотвращения биообрастания загрузки постелей фильтров.

2.5.3. УФ-ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЕ

Наиболее перспективным промышленным методом обеззараживания является обработка воды ультрафиолетовым излучением, обладающим высокой эффективностью в отношении как бактерий, так и вирусов. При этом УФ-обеззараживание (УФО), вотличие от окислительных методов, не вызывает образования вторичных токсикантов и может быть отнесено к экологически чистым методам обработки воды.

Бактерицидным действием обладают ультрафиолетовые лучи с длиной волны 2200-2800 А. Различные виды бактерий имеют различную степень сопротивляемости действию бактерицидных лучей. Процесс обеззараживания воды осуществляется на специальных установках, в которых вода относительно тонким слоем обтекает источник УФ-излучения – ртутно-кварцевые или аргонно-ртутные лампы.

К воде, подвергаемой очистке УФО, предъявляются особые требования – она должна быть прозрачной и обладать наибольшей проницаемостью для бактерицидных лучей.

При эксплуатации ртутно-кварцевых ламп требуется промывка 1 раз в месяц в течение 6 ч раствором щавелевой кислоты при расходе 16 кг порошка кислоты на 1 промывку одной установки, всего – 12 • 16 = 192 кг в месяц или 2304 кг/год.

Обеззараживание УФ-излучением также не исключает необходимости периодической обработки хлорной водой фильтров для предотвращения биообрастания загрузки.

Достоинствами метода являются следующие:

• не изменяется химический состав обрабатываемой воды;
• установки имеют бактерицидные лампы низкого действия с КПД до 30%;
• не требуют постоянного обслуживающего персонала;
• технология проста в эксплуатации;
• энергоемкость значительно ниже, чем при озонировании или радиолизе пучком направленных электронов.

К недостаткам метода относятся следующие:

• необходимость каждые 1,5 года менять лампы;
• применение химического реагента для промывки;
• неспособность обеззараживать воду от патогенных простейших;
• необходимость переоборудования существующей хлоратор- ной в электролизерную;
• опасность загрязнения воды ртутью (используемой в бактерицидных лампах);
• – большая энергоемкость установок (например, установка УОВ-1000/288-Вl производительностью 1000 м³/ч потребляет 28 кВтžч электроэнергии).

Московским НПО «ЛИТ» разработаны высокоэффективные источники УФ-излучения и создано современное отечественное оборудование нового поколения для обеззараживания воды ультрафиолетовым излучением. В настоящее время производится широкая номенклатура отечественных УФ-установок различной единичной производительностью (от 1 до 2500 м³/ч), отвечающих всем современным российским и международным нормам, гигиеническим требованиям и предназначенных для обеззараживания в системах подготовки питьевой, производственной воды и сточных вод.

Процесс внедрения УФ-обеззараживания в практику водоподготовки и очистки сточных вод носит массовый характер. В России и за рубежом эксплуатируются более 2000 объектов различного назначения на основе УФ-оборудования производства НПО «ЛИТ».

Применение УФ-излучения позволяет обеспечить эффективное обеззараживание сточных вод.

Сравнение методов дезинфекции, их эффективность и характеристика приведены в табл. 2.16.

Таблица 2.16

Сравнительная характеристика методов обеззараживания

Эффективность обеззараживания относительно определенных видов патогенных микроорганизмов представлена в табл. 2.17.

Таблица 2.17

Эффективность обеззараживания относительно некоторых видов микроорганизмов

Примечание: + недостаточный; ++ удовлетворительный; +++ хороший.

2.5.4. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

В электронно-лучевой технологии воздействие на микроорганизмы осуществляется пучком ускоренных до высокой энергии электронов, генерируемых специальными устройствами – ускорителями электронов.

Ускоренные электроны, направленные на поток очищенных сточных вод, протекающий в канале, оказывают влияние на химические соединения и вещества, находящиеся в воде, инициируя различные химические реакции и поражая патогенные микроорганизмы. Кроме того, они могут воздействовать на них косвенным путем через активные процессы, появляющиеся при радиолизе воды, в которой находятся эти соединения и микроорганизмы (различные радикалы, озон, перекиси, гидроперекиси и т. п.).

Микробное число в воде при обработке такой технологией снижается на 3-4 порядка.

При использовании электронно-лучевой технологии жесткость воды не должна превышать 3,5 мг-экв/дм³. Для предотвращения биообрастания загрузки фильтров необходима периодическая обработка хлорной водой. Данный реагент может быть получен на месте применения установки, путем электролиза раствора поваренной соли.

К достоинствам метода относят следующие:

• высокие скорости процесса обеззараживания и очистки;
• комплексный характер воздействия на обработанные среды;
• возможность осуществления полной автоматизации процесса;
• оборудование, материалы и вещества не имеют наведенной радиоактивности на стадии изготовления, транспортировки и ремонта оборудования в процессе эксплуатации. Мощное излучение генерируется ускорителями электронов только в рабочем состоянии.

Недостатками метода являются следующие:

• высокая энергоемкость технологического процесса;
• особые требования к строительным конструкциям здания, обеспечивающим защиту обслуживающего персонала от излучений;
• образование в процессе работы озоно-воздушной смеси;
• радиолиз воды, подвергающейся обработке, с появлением различных радикалов, изотопов, перекиси водорода, гидроперекиси и т. п.

2.5.5. ПЕРОКСОН-ПРОЦЕСС

Совместное использование озона и перокеида водорода – новая технология очистки воды для повторного использования, называемая пероксон-процесс. Это передовая окислительная технология, позволяющая достичь эффективного обеззараживания при минимальном содержании побочных продуктов и одновременном разложении микропримесей, что важно при повторном использовании воды для технических нужд и полива. В результате образуются гидроксилрадикалы, имеющие наибольшее значение окислительно-восстановительных потенциалов среди всех используемых для целей обеззараживания окислителей. Исследования показали, что использование озона в дозах 0,7 мг/дм³ при соотношении Н₂O₂/озон, равном 0,5, обеспечивает обеззараживание при времени контакта около 100 с. В настоящее время разработана HiPO_x-технология, в которой применяется один из вариантов обработки воды пероксоном в реакторе специальной конструкции. Она обеспечивает инжекторный ввод озона через 18 точек нагнетания, размещенных по всему реактору. Пероксид водорода добавляется одновременно с подачей воды на очистку. В результате одновременно с обеззараживанием достигается разложение стойких химических загрязнителей, таких как компоненты нефтепродуктов, метилтретбути- ловый эфир, третичный бутиловый спирт, бензол, толуол, этилбензол, ксилолнитрозодиметиламин и др.

2.5.6. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ ВОДЫ

Для обеззараживания производственных стоков также применяется метод электрохимической активации воды (ЭХА). Он подробно рассмотрен в подп. 2.2.6.

Обычно во избежание образования нежелательных соединений и для увеличения эффекта обеззараживание организуется на последней стадии обработки воды.

2.5.7. КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ

Наряду с очисткой важно и кондиционирование сточных вод, в частности насыщение их кислородом. Эту технологическую операцию можно успешно реализовать в колонных и пленочных аппаратах.

В колонном аппарате (рис. 2.40) наряду с насыщением воды кислородом происходит и ее доочистка. Насыщение воды кислородом наиболее эффективно происходит в колонном аппарате с комбинированной системой аэрации. При этом обработка воды может осуществляться в режиме как эжектирования, так и струйного аэрирования.

Рис. 2.40. Колонный аппарат:
1 – колонна; 2 – пенный отсек; 3 – загрузочное устройство; 4 – струйный аэратор;
5 – наклонные решетки; 6 – камера струйного аэрирования; 7 – эжекторы

По сравнению с колонным, пленочный аппарат для насыщения воды кислородом в тонком слое отличается более простой конструкцией и меньшей металлоемкостью (рис. 2.41). Аппарат включает цилиндрический корпус, внутри которого соосно расположена труба с входным патрубком, а между трубой и корпусом размещены полки. Вывод воды, насыщенной кислородом, осуществляется через патрубок.

Возможно использование колонных и пленочных аппаратов не только для очистки сточных вод, но и для насыщения их кислородом перед сбросом в открытый водоем.

Рис. 2.41. Пленочный аппарат:
1 – корпус аппарата; 2 – труба для подачи исходной (грязной) воды;
3 – наклонные полки; 4 – выходной патрубок; 5 – входной патрубок