Литературный  обзор

     1 Питьевая вода и методы ее очистки

     Все живое в нашей жизни связано  с водой. Человеческий организм на 65-70 % состоит из воды. В организме  взрослого человека с массой тела 65 кг содержится в среднем до 40 литров воды. По мере старения количество воды в организме человека снижается. Для сравнения, в теле 3-х месячного плода - 95 % воды, у новорожденного ребенка - 75%, а к 95-летнему возрасту в организме человека остается около 25 % воды[6].

     Многие  авторы считают одной из причин старения организма понижение способности клеток связывать необходимое для обмена веществ количество воды, т.е. возрастную дегидратацию. Вода является основной средой, в которой протекают многочисленные химические реакции и физико-химические процессы обмена веществ. Организм строго регулирует содержание воды в каждом органе, каждой ткани. Постоянство внутренней среды организма, в том числе и определенное содержание воды, - одно из основных условий нормальной жизнедеятельности. Человек может пить большое количество воды и быть не в силах замедлить возрастной процесс уменьшения воды в организме.

     Вода, используемая организмом, качественно  отличается от обычной. Обычная вода загрязнена в результате техногенной  деятельности человека различными веществами, а именно: ионами неорганических соединений, мельчайшими частицами твердых примесей, органическими веществами природного и искусственного происхождения, микроорганизмами и продуктами их жизнедеятельности, растворенными газами [2].

     Методы  обеззараживания питьевых вод

   Многообразие способов обеззараживания воды делится на четыре группы:

1. Физические;
2. химические;
3. электрохимические;
4. электрообработка

1. Физические  способы обеззараживания  воды

1. Кипячение

   Кипячение используют для уничтожения органики (вирусов, бактерий, микроорганизмов и др.), удаления хлора и других низкотемпературных газов (радон, аммиак и др.). Кипячение действительно помогает в некоторой степени очистить воду, однако данный процесс имеет ряд побочных эффектов. Первый - при кипячении изменяется структура воды, т.е. она становится "мертвой", поскольку происходит испарение кислорода. Чем больше мы кипятим воду, тем больше погибает в ней патогенов, но тем более она становится бесполезной для организма человека. Второе - поскольку при кипячении происходит испарение воды, то концентрация солей в ней увеличивается. Они отлагаются на стенках чайника в виде накипи и извести и попадают в организм человека при последующем потреблении воды из чайника.

   Как известно, соли имеют тенденцию накапливаться  в организме, что приводит к самым различным заболеваниям, начиная от болезней суставов, образованию камней в почках и окаменению (циррозу) печени, и заканчивая артериосклерозом, инфарктом и мн. др. Кроме того, многие вирусы могут легко перенести кипячение воды, поскольку для их уничтожения требуются намного более высокие температуры. При кипячении воды удаляется только газообразный хлор. В лабораторных исследованиях был подтвержден тот факт, что после кипячения водопроводной воды образуется дополнительный хлороформ (вызывает раковые заболевания), даже если перед кипячением воды была освобождена от хлороформа продувкой инертным газом.

   Данный  метод требует значительного  расхода энергии и широко используется только для индивидуального водопотребления[2].

2. Обработка ультрафиолетовыми лучами

   Данный  метод основан на способности  ультрафиолетового излучения с  определенной длиной волны губительно действовать на ферментные системы  бактерий. Ультрафиолетовые лучи уничтожают не только вегетативные, но и споровые формы бактерий, и не изменяют органолептических свойств воды. Важно отметить, что поскольку при УФ-облучении не образуются токсичные продукты, то не существует верхнего порога дозы. Увеличением дозы УФ-излучения почти всегда можно добиться желаемого уровня обеззараживания.

   Бактерицидный эффект зависит от интенсивности излучения, расстояния от лампы, поглощения излучения средой, прозрачности, цветности, содержания железа.

   УФ-излучение  используется для обеззараживания  подземных вод с содержанием  железа 0,3 мг/л, мутностью 2 мг/л. Повышение цветности или мутности воды вызывает наибольшее поглощение УФ-излучения, что резко снижает бактерицидный эффект.

     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.

   Несмотря  на все преимущества метода обеззараживания  УФ лучами по сравнению с реагентными  основными недостатками являются:

   - чувствительность источника к колебаниям напряжения электросети, что влечет за собой бактериальные проскоки;

   - отсутствие оперативного контроля  за эффектом обеззараживания;

   - непригоден для обеззараживания  мутных вод;

   - полное отсутствие последействия.

   Фактором, снижающим эффективность работы установок УФ-обеззараживания при длительной эксплуатации, является загрязнение кварцевых чехлов ламп отложениями органического и минерального состава. Крупные установки снабжаются автоматической системой очистки, осуществляющей промывку путем циркуляции через установку воды с добавлением пищевых кислот. В остальных случаях применяется механическая очистка[2].

3. Гамма – облучение

   Основными достоинствами данного метода являются:

   - не вызывает изменение физико-химических свойств воды,

   - улучшает органолептические свойства,

   - разрушает синтетические детергенты и уничтожает бактерии.

   При дозе 10⁵ бэр бактерицидный эффект составляет 99%.

   Эффект  зависит от возраста, физического  состояния и вида культуры, дозы радиации и среды. Полная стерилизация достигается при дозах облучения  не менее 1,2*10⁶-1,5*10⁶ бэр.

   В качестве источников радиации используются кобальт и отходы продуктов радиоактивного распада, такие как стронций, цезий[2].

4. Воздействие ультразвуком

   Обеззараживание воды ультразвуком основано на способности  его вызывать кавитацию – образование пустот, создающих большую разность давления, что ведет к разрыву клеточной оболочки и гибели бактериальной клетки. Бактерицидное действие ультразвука разной частоты весьма значительно и зависит от интенсивности звуковых колебаний. Максимальной бактерицидностью обладают колебания с частотой 500-1000 кГц.

   В настоящее время этот способ еще  не нашел достаточного применения в  системах очистки воды, хотя в медицине он широко используется для  дезинфекции инструментария и т.п. в так называемых ультразвуковых мойках[2].

5. Ультрафильтрация

   Системы ультрафильтрации предназначены для  удаления взвешенных частиц размером более 0,01 мкм, такие как: коллоидные примеси, бактерии, вирусы, органические макромолекулы из воды муниципальных  и локальных водопроводных сетей (артезианских скважин, колодцев и т.п. - как и при использовании фильтров очистки воды от железа).

   Ультрафильтрация  – экономичный, экологически чистый и эффективный метод очистки  воды от субмикронных механических примесей. Основным рабочим элементом современных ультрафильтрационных систем служат так называемые полые волокна, технология производства которых позволяет получить структуру с величиной пор около 0,01 мкм. В качестве фильтрующих материалов используется фильтровальная бумага, нитроцеллюлозные фильтры, фильтры в виде патронов.

   К недостаткам метода ультрафильтрации относят узкий технологический  диапазон - необходимо точно поддерживать условия процесса (давление, температуру, состав растворителя и.т.д.), сравнительно небольшой срок службы мембран от 1 до 3 лет вследствие осадкообразования в порах и на их поверхности, что приводит к засорению и нарушению структуры мембран. В этом плане очистка воды от железа, например, гораздо экономичнее. Ультрафильтрацию применяют для предварительной обработки поверхностных вод, морской воды, биологической очистки муниципальных сточных вод[2].

2. Электрохимические методы обеззараживания

1. Озонирование

     Озонирование  воды основано на свойстве озона разлагаться  в воде с образованием атомарного кислорода, разрушающего ферментные системы микробных клеток и окисляющего некоторые соединения, которые придают воде неприятный запах (например, гуминовые основания). Количество озона, необходимое для обеззараживания воды, зависит от степени загрязнения воды и составляет 0,4 - 4 мг/л при контакте в 5-20 мин.

     Однако  молекула озона неустойчива, поэтому  его остаточные количества быстро разлагаются  в воде. С гигиенической точки  зрения озонирование воды – один из лучших способов обеззараживания питьевой воды. При высокой степени обеззараживания воды оно обеспечивает ее наилучшие органолептические показатели и отсутствие высокотоксичных и канцерогенных продуктов в очищенной воде.

     Однако  в связи с большим расходом электроэнергии, использованием

сложной аппаратуры и необходимостью высококвалифицированного обслуживания, озонирование нашло применение для обеззараживания питьевой воды только при централизованном водоснабжении.

     Метод озонирования воды технически сложен и наиболее дорогостоящ. Технологический  процесс включает последовательные стадии очистки воздуха, его охлаждения и осушки, синтеза озона, смешения озоновоздушной смеси с обрабатываемой водой, отвода и деструкции остаточной озоновоздушной смеси, вывода ее в атмосферу. Все это требует также дополнительного вспомогательного оборудования (озонаторы, компрессоры, установки осушки воздуха, холодильные агрегаты и т. д.), объемных строительно-монтажных работ.

     Озон  токсичен. Предельно допустимое содержание этого газа в воздухе производственных помещений 0,1 г/м³. К тому же существует опасность взрыва озоновоздушной смеси[2].

2. Обработка ионами серебра

     Органические  препараты серебра (коллоидное серебро, ионы серебра) обладают высоким последействием на вегетативные формы бактерий. Обработанная серебром вода имеет высокие бактерицидные  свойства. Концентрация 0,1-0,2 мг/л через два часа вызывает гибель микроорганизмов. Последействие серебра продолжается в течение многих месяцев.

     После длительного хранения обработанную серебром воду перед употреблением  обрабатывают через два сорбционных  фильтра.

     Первый служит для удаления избытка серебра, а второй для дезодорации. При концентрации серебра 0,05 мг/л вода стерильна в течение 90 дней, при дозах 0,2-0,5 мг/л в течение пяти месяцев. Пороговая норма концентрации серебра не более 0,05 мг/л. Так как время экспозиции серебра от одного до двух часов, то в условиях водопроводов данный метод не используется.

     Некоторые предприятия, выпускающие минеральные  воды, осуществляют обеззараживание  воды серебром.

     Однако  профессиональная медицина утверждает, что при многолетнем употреблении "серебряной" воды серебро накапливается в организме: в почках, в костном мозге, селезенке и особенно в звездчатых клетках печени. Накапливаясь, в частности, в коже и слизистых, серебро придает им своеобразную серо-зеленую окраску, особенно сильную на открытых местах тела (аргирия). Ультрафиолетовые лучи усиливают пигментацию.

     При употреблении "серебряной" воды серебро  легко проникает в эритроциты и связывается с белками (в  основном с глобулинами) в недиализируемое  соединение. Длительное употребление "серебряной" воды не рекомендуется[2].

3. Электролиз

     При электролизе количество бактерий в  воде уменьшается в результате их коагуляции. На бактерицидное действие влияет материал электродов, геометрические размеры межэлектродного пространства и электрические параметры.

     Электролизер  разделен на прикатодное и прианодное пространство полупроницаемой диафрагмой. В результате электролиза прикатодное  пространство (католит) подщелачивается, то есть  рН увеличивается, а прианодное (анолит) подкисляется (соответственно показатель рН уменьшается). Католит обладает электродонорными свойствами — способностью отдавать свободные электроны окисленным соединениям, в том числе свободным радикалам. Такая вода называется противоокислителъной или «живой». Анолит — электроноакцепторная вода — принимает электроны от донорных восстановленных соединений, которые окисляются. Такая вода обладает бактерицидной активностью за счет окисления молекулярных структур в составе микроорганизмов. В противовес «живой» эту воду называют «мертвой»[1].

4. Электрофлотация

     Электрофлотация это современная высокоэффективная  технология очистки сточных вод  от нерастворимых веществ: гидроксидов  и фосфатов тяжелых металлов, поверхностно-активных веществ, взвешенных веществ и нефтепродуктов. Метод электрофлотации идеально подходит для очистки сточных вод промышленных предприятий, в том числе гальванических производств и проворства печатных плат. В процессе электрофлотации происходит быстрое всплытие загрязняющих веществ на поверхность воды за счет выделения электролитических газов, электростатического и флотационного эффектов.

     Данный  метод может применяться без  добавления или с добавлением  различных флотореагентов[1].

3. Химические  методы обеззараживания

1. Хлорирование

     Наиболее  распространенным методом обеззараживания воды является метод хлорирования. Это объясняется высокой эффективностью, простотой используемого технологического оборудования, дешевизной применяемого реагента – жидкого или газообразного хлора – и относительной простотой обслуживания.

     Очень важным и ценным качеством метода хлорирования является его последействие. Если количество хлора взято с некоторым расчетным избытком, так чтобы после прохождения очистных сооружений в воде содержалось 0,3–0,5 мг/л остаточного хлора, то не происходит вторичного роста микроорганизмов в воде.

     Хлор является сильнодействующим  токсическим веществом, требующим  соблюдения специальных мер по  обеспечению безопасности при  его транспортировке, хранении  и использовании; мер по предупреждению  катастрофических последствий в чрезвычайных аварийных ситуациях. Поэтому ведется постоянный поиск реагентов, сочетающих положительные качества хлора и не имеющих его недостатков.

     Предлагается применение диоксида  хлора, который обладает рядом  преимуществ, таких как: более высокое бактерицидное и дезодорирующее действие, отсутствие в продуктах обработки хлорорганических соединений, улучшение органолептических качеств воды, отсутствие необходимости перевозки жидкого хлора. Однако диоксид хлора дорог, должен производиться на месте по достаточно сложной технологии. Его применение

имеет перспективу для установок относительно небольшой производительности.

     Применение для обеззараживания  воды хлорсодержащих реагентов  (хлорной извести, гипохлоритов  натрия и кальция) менее опасно в обслуживании и не требует сложных технологических решений. Однако используемое при этом реагентное хозяйство более громоздко, что связано с необходимостью хранения больших количеств препаратов (в 3–5 раз больше, чем при использовании хлора). Во столько же раз увеличивается объем перевозок. При хранении происходит частичное разложение реагентов с уменьшением содержания хлора. Остается необходимость устройства системы притяжно-вытяжной вентиляции и соблюдения мер безопасности для обслуживающего персонала. Растворы хлорсодержащих реагентов коррозионно-активны и требуют оборудования и трубопроводов из нержавеющих материалов или с антикоррозийным покрытием.

     Действие  хлора приводит к изменению внутриклеточного вещества, распаду структуры клетки и прекращению жизнедеятельности бактерий[5].

2. Йодирование

     Это метод обеззараживания воды, при  котором используются соединения йода. Как бактерицидное вещество йод  применяется с давних пор и  повсеместно используется в медицине. Проблемы состоят в невысокой  растворимости йода в воде, и по этой причине обычно используются его соединения.

     Йодирование нередко применяется для обеззараживания  воды в спортивных бассейнах. Существует ряд средств (так называемые йодные таблетки), применяемые для персонального  обеззараживания воды в дорожных условиях. По результатам исследований это самый эффективный метод дезинфекции небольшого объема воды в походных условиях.

     Йод гидролизуется значительно медленьше  хлора и зависит от pH среды. Он действует на вегетативные и спорообразующие формы бактерий, обладает более широким спектром гермицидной  способности и быстротой обеззараживания (экспозиция 5-10 мин) по сравнению с хлором.

     Доза  для обеззараживания 0,6-1 мг/л[2].

3. Бромирование

     Бромирование  – альтернатива хлорированию воды. Бром – это галоген и сильный окислитель, убивающий бактерии, вирусы и грибки, способствующий удалению из воды органических примесей. Благодаря устойчивости к высоким уровням pH бром обеспечивает оптимальный уровень надежности дезинфекции воды. Например, при уровне pH = 8,0 эффективность дезинфицирующего действия брома составляет 87%, а у хлора – 33%. Соединения на основе брома устойчивы к действию солнечных лучей, не имеют характерного запаха и не образуют в воде токсичных веществ, щадят кожу и глаза и эффективны в борьбе с водорослями[2].

4. Коагуляция и флокуляция

     Учитывая, что по величине бактерии соответствуют  коллоидным частицам и что они  входят в состав более крупных  образований сорбируясь на частицах и агрегатах для их удаления приемлемы  процессы коагуляции и флокуляции.

     Коагуляция - слипание частиц коллоидной системы  при их столкновениях в процессе теплового движения, перемешивания  или направленного перемещения  во внешнем силовом поле. В результате коагуляции. образуются агрегаты - более  крупные (вторичные) частицы, состоящие из скопления более мелких (первичных). Первичные частицы в таких скоплениях соединены силами межмолекулярного взаимодействия непосредственно или через прослойку окружающей (дисперсионной) среды. Коагуляция сопровождается прогрессирующим укрупнением частиц

(увеличением  размера и массы агрегатов)  и уменьшением их числа в  объёме дисперсионной среды - жидкости или газа.

     Флокуляция - вид коагуляции, при которой  мелкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в жидкой или газовой  среде, образуют рыхлые хлопьевидные скопления (флокулы). Флокуляция  в жидких дисперсных системах (золях, суспензиях, эмульсиях, латексах) происходит под влиянием специально добавляемых веществ - флокулянтов, а также при тепловых, механических, электрических и прочих воздействиях. Эффективные флокулянты это растворимые полимеры, особенно полиэлектролиты. Действие полимерных флокулянтов обычно объясняют адсорбцией нитевидных макромолекул одновременно на различных частицах. Возникающие при этом агрегаты образуют хлопья, которые могут быть легко удалены отстаиванием или фильтрованием. Флокулянты (поликремниевая кислота, полиакриламид и др.) широко используются при подготовке воды для технических и бытовых нужд, обогащении полезных ископаемых, в бумажном производстве, в сельском хозяйстве (для улучшения структуры почв), в процессах выделения ценных продуктов из производственных отходов, обезвреживания промышленных сточных вод. При водоочистке полимерные флокулянты применяют обычно в концентрации 0,1=5 мг/л.

     Отделение частиц коагулянта и взвесей от воды обеспечивает значительно большую бактериальную безопасность, чем хлорирование, озонирование или применение УФ-облучения, которое эффективно при условии бесцветной и абсолютно прозрачной воды[2].

4. Электрообработка

1. Электродиализ

     Электродиализ – это разделение веществ, основанное на их электролитической диссоциации и переносе образовавшихся ионов через мембрану под действием разности потенциалов, создаваемой в растворе по обе стороны мембраны. Применяется для обессоливания воды и других жидкостей; особенно эффективен при использовании так называемых ионитовых мембран, избирательно пропускающих катионы либо анионы. На электродиализе основано введение лекарств через кожу (ионофорез)[1].

2. Электролиз

     Электро́лиз — физико-химический процесс, состоящий в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

     Упорядоченное движение ионов в проводящих жидкостях происходит в электрическом поле, которое создается электродами — проводниками, соединёнными с полюсами источника электрической энергии. Анодом при электролизе называется положительный электрод, катодом — отрицательный. Положительные ионы — катионы — (ионы металлов, водородные ионы, ионы аммония и др.) — движутся к катоду, отрицательные ионы — анионы — (ионы кислотных остатков и гидроксильной группы) — движутся к аноду.

     Явление электролиза широко применяется  в современной промышленности. В частности, электролиз является одним из способов промышленного получения алюминия, водорода, а также гидроксида натрия, хлора, хлорорганических соединений, диоксида марганца, пероксида водорода. Большое количество металлов извлекаются из руд и подвергаются переработке с помощью электролиза (электроэкстракция, электрорафинирование).

     Электролиз  применяется для обеззараживания  воды[1].

3. Электрохимическая коагуляция

     Электрохимическая коагуляция – это метод электрообработки при котором в межэлектродном пространстве под действием внешнего поля генерируются катионы образующие сорбирующие гидроксиды в результате чего под действием как катионов, так и гидроокиси происходит коагуляция, сорбция и разрушается устойчивость дисперсии. Этот метод пригоден для получения коагулянта, используется в технологии очистки и обеззараживания воды[1].

4. Электрофлотация

     Электрофлотация – это флотация, при которой  образование газовых пузырьков  производится путём электролитического разложения воды с выделением на аноде пузырьков кислорода, а на катоде водорода. Применяется главным образом для очистки отработанных промышленных растворов и стоков от ионов металлов и тонкодисперсных осадков гидрооксидов металлов: железа, меди, никеля, кадмия, хрома, магния и др.

     Принципиальная особенность электрофлотации — возможность осуществления процесса без реагентов-собирателей (применяются только реагенты для образования осадков и их флокуляции), а также высокая дисперсность пузырьков (мкм и десятки мкм), что на 1-2 порядка меньше, чем в обычной пенной флотации; это позволяет флотировать более тонкие частицы, вплоть до ионов.

     Перспективность использования электрофлотации  определяется возможностью существенного  ускорения процесса отстаивания  и отделения осадка, который в  обычных химических производствах составляет 2-6 ч.

Кроме того, при электрофлотации существует принципиальная возможность селективного извлечения металлов, а не в смеси с др. компонентами раствора. Отсутствие органических реагентов не вызывает побочного загрязнения отработанных растворов, что благоприятствует созданию производств по извлечению электрофлотацией некоторых компонентов из морских и термальных вод.

     Электрофлотация используется в обогащении и для  очистки и обеззараживания воды[1].

5. Электрофорез

     Электрофорез  — это электрокинетическое явление  перемещения частиц дисперсной фазы (коллоидных или белковых растворов) в жидкой или газообразной среде под действием внешнего электрического поля.

     С помощью электрофореза удаётся  покрывать мелкими частицами  поверхность, обеспечивая глубокое проникновение в углубления и  поры. Различают две разновидности  электрофореза: катафорез — когда  обрабатываемая поверхность имеет отрицательный электрический заряд (то есть подключена к отрицательному контакту источника тока) и анафорез — когда заряд поверхности положительный[1].

6. Электрокаогуляция

     Электрокоагуляция—  коагуляция (оседание) коллоидных систем вследствие действия на них постоянного электрического тока, который вызывает электрическую диссоциацию присутствующих в системе солей, выборочное взаимодействие ионов с образованием и выпадением гелей.

     Электрокоагуляция используется для очищения оборотных вод в системах обработки шламов.

     Технология  производства на горно-рудных и обогатительных предприятиях требует большого количества воды. В связи с большой плотностью населения в развитых странах и постоянным ростом загрязнённости естественных источников пресной воды является абсолютно необходимым повторное использование оборотных вод. Поэтому роль электрокоагуляции как промышленной технологии очень важна[1].