Обеззараживание — уничтожение микроорганизмов, является последним завершающим этапом улучшения свойств воды. Оно может проводиться различными методами: химическим, физическим и механическим.
Химические методы обеззараживания основаны на добавлении к воде различных химических веществ — реагентов, вызывающих гибель находящихся в воде микроорганизмов. В качестве реагентов могут быть применены газообразный хлор, различные соединения хлора (хлорная известь, гипохлориты, хлорамины, двуокись хлора и др.), озон, некоторые соли тяжелых металлов, перекись водорода и т. д.
В санитарной практике наиболее старым, испытанным и надежным способом обеззараживания воды является хлорирование.
Принцип его заключается в том, что при добавлении хлора к воде происходит гидролиз его, в результате чего образуется соляная и хлорноватистая кислота:
Cl2+H2O = НCl + НОCl,
которая в воде диссоциирует на ионы Н и ОCl.
Хлорноватистая кислота сравнительно легко проникает через оболочку бактериальной клетки и, воздействуя на клеточные ферменты, нарушает обмен веществ и способность к размножению микробов.
Новейшие исследования показали, что бактерицидный эффект зависит именно от угнетения ферментов, являющихся катализаторами окислительно-восстановительных процессов, обеспечивающими бактериальную клетку энергией.
Обеззараживающее действие хлора зависит от многих факторов, среди которых наибольшее значение имеют биологические особенности микроорганизмов, состояние водной среды, условия, в которых осуществляется хлорирование, и т. д. На крупных водопроводных станциях для обеззараживания воды применяется газообразный хлор. Он доставляется в жидком виде (в баллонах или цистернах), а перед применением переводится в газообразное состояние в специальных установках — хлораторах (рис. 9), с помощью которых обеспечивается автоматически непрерывная подача и дозировка хлора. Процесс обеззараживания воды газообразным хлором может происходить или в резервуарах чистой воды, или непосредственно в водопроводной сети; но в последнем случае необходимо, чтобы длина труб до места водоразбора была не менее 1800 м, что даст возможность соблюдать контакт воды с хлором в течение требуемого срока — не менее 30 минут. Наиболее часто хлорирование воды производится 1 % раствором хлорной извести. Хлорная известь представляет собой продукт взаимодействия хлора и гашеной извести по реакции:
2Са (ОН), +2 Cl2 = Са(ОCl)2 + СаCl2 + 2Н2О.
Техническая хлорная известь содержит обычно около 35% активного хлора. При хранении ее в сыром помещении, на свету и при высокой температуре она разлагается и значительно снижает свою активность. Для обеззараживания воды допускается использование хлорной извести, содержащей не менее 25% активного хлора. Поэтому прежде чем использовать хлорную известь для хлорирования воды, необходимо определить в ней процентное содержание активного хлора.
Рис. 9. Хлоратор Ремесницкого.
Практически хлорирование воды производится нормальными и повышенными дозами хлора.
а) Хлорирование нормальными дозами. Оно применяется в обычных условиях на всех водопроводных станциях. При этом большое значение имеет правильный выбор дозы хлора. При добавлении хлора к воде происходит поглощение его органическими и неорганическими соединениями. Это явление называется хлорпоглощаемостью воды. Чем больше в воде этих веществ, тем выше хлорпоглощаемость и тем больше хлора потребуется для обеззараживания. Для достижения полного бактерицидного эффекта необходимо ввести в воду такое количество активного хлора, которого хватило бы не только на окисление органических веществ, но и на уничтожение микроорганизмов. Кроме того, некоторое количество его должно оставаться в воде, чтобы служить показателем надежности хлорирования; его называют активным остаточным хлором, который нормируется в количестве 0,3—0,5 мг на 1 л воды.
Необходимым условием хлорирования является хорошее перемешивание воды с хлором, а также контакт между обеззараживаемой водой и хлором в течение 30 минут в теплое и в течение 60 минут в холодное время года.
На рис. 10 показана схема установки для обеззараживания воды хлорной известью.
Рис. 10. Схема установки для обеззараживания воды хлорной известью.
I — бак для растворения сухой хлорной извести; II — бак для приготовления рабочего раствора и его отстаивания; III — бак для отстоявшегося раствора; IV — дозирующий бачок.
На водопроводных станциях иногда применяют хлорирование с преаммонизацией. Для этого в обеззараживаемую воду вначале вводят аммиак или его соли, а затем через 1—2 минуты хлор. При этом образуются хлорамины, обладающие высоким бактерицидным действием. Этот метод применяется в тех случаях, когда обеззараживаемая вода содержит фенол или другие вещества, которые придают ей неприятный запах. При обычном хлорировании фенол соединяется с хлором и придает воде неприятные хлорфенольный запах и привкус. При хлорировании с преаммонизацией образуются хлорамины, которые не соединяются с фенолами, а следовательно не возникает хлорфенольный запах, ухудшающий органолептических свойств воды.
Кроме обеззараживания воды нормальными дозами хлора, применяют хлорирование повышенными дозами (гиперхлорирование). Чаще всего оно применяется в полевых условиях. Гиперхлорирование производится дозами хлора, в 5—10 раз превышающими хлорпоглощаемость воды, т. е. 10—20 мг активного хлора на 1 л воды. Время контакта между обеззараживаемой водой и хлором может быть сокращено до 15—10 минут. Гиперхлорирование имеет ряд преимуществ, основными из которых являются: значительное сокращение времени хлорирования; упрощение техники хлорирования, так как нет необходимости определять остаточный хлор и дозу; можно обеззараживать воду без предварительного освобождения от мути и осветления. Недостатком гиперхлорирования является сильный запах хлора, но его можно устранить добавлением к воде гипосульфита, активированного угля и других веществ.
К химическим методам дезинфекции воды относится озонирование, т. е. обеззараживание с помощью озона.
Озон является нестойким соединением. В воде он разлагается с образованием молекулярного и атомарного кислорода, с чем связана его сильная окислительная способность. В процессе его разложения образуются свободные радикалы ОН и НO2, обладающие высокими окислительными свойствами. Озон обладает высоким окислительно-восстановительным потенциалом, поэтому его реакция с органическими веществами, находящимися в воде, происходит более полно, чем у хлора. Механизм обеззараживающего действия озона аналогичен действию хлора и, действуя как сильный окислитель, он поражает жизненно важные ферменты, и вызывает гибель микроорганизмов. Имеются предположения, что он действует как протоплазматический яд.
Преимущество озонирования перед хлорированием заключается в том, что при этом способе обеззараживания улучшается вкус и цвет воды, а поэтому озон может быть использован одновременно для улучшения органолептических свойств воды. Озонирование не оказывает отрицательного влияния на минеральный состав и рН воды. Избыток озона быстро превращается в кислород, поэтому остаточный озон не опасен для организма и не влияет на органолептические свойства воды. Контроль за озонированием менее сложен, чем за хлорированием, так как на озонирование не влияют такие факторы, как температура, рН воды и т. д. Для обеззараживания воды необходимая доза озона в среднем равна 0,5—6 мг/л при экспозиции 3—5 минут. Озонирование производится при помощи специальных аппаратов-озонаторов. Наиболее широко оно используется для обеззараживания воды во Франции и США. В СССР имеются действующие очистные установки с озонаторами в Донбассе и некоторых других городах.
К химическим способам обеззараживания воды относятся методы, основанные на использовании олигодинамического действия солей тяжелых металлов (особенно серебра, меди, золота).
Олигодинамическим действием тяжелых металлов называется их способность оказывать бактерицидный эффект в течение длительного срока при крайне малых концентрациях. Механизм действия заключается в том, что ионы тяжелых металлов, имеющие положительный заряд, вступают в воде во взаимодействие с микроорганизмами, заряженными отрицательно. Происходит электроадсорбция, в результате которой они проникают в глубь микробной клетки, образуя в ней альбумины тяжелых металлов, соединения с нуклеиновыми кислотами, в результате чего микробная клетка погибает. Этот метод не получил широкого распространения. Он применяется для обеззараживания небольших объемов воды.
Перекись водорода давно известна как окислитель. Ее бактерицидное действие связано с выделением кислорода при ее разложении. Практически метод применения перекиси водорода для обеззараживания воды в настоящее время еще полностью не разработан.