Хлорирование и озонирование природных вод

Министерство  образования и науки Российской Федерации 

Казанский государственный технический университет  им. А.Н.Туполева

Кафедра общей химии и экологии 
 
 

РЕФЕРАТ 

по дисциплине

«Введение в специальность»

на тему 

«Хлорирование и озонирование природных  вод» 
 
 
 
 

Выполнила студентка

 группы 3112

 Шаяхметова  Г.Н.

Научный руководитель:

доцент

Григорьева  Ирина Геннадьевна 
 
 
 

Казань 2010

Содержание

1. Введение
2. Методы обеззараживания природных вод

• Хлорирование

• История
• Процесс
• В чем польза хлорирования воды
• В чем проблема
• Чем опасен хлор, попадающий в организм человека
• И что же делать

• Озонирование

• История
• Процесс
• В чем польза
• В чем недостатки
• Так в чем же дело
• Перспектива

3. Заключение

4. Использованная литература

Введение

       Современная жизнь динамична. И этим все сказано. Мы живем в век скоростей, обилия информации и технического прогресса. Среду обитания человека окружают промышленные предприятия, тысячи автомобилей, железнодорожные и авиационные магистрали. На работе и в быту человека сопровождают телефоны, компьютеры, телевизоры, кондиционеры и микроволновые печи. Практически всюду проложены электрические линии, кабели сети Интернет, сигнализация. Окружающее нас пространство с недавних пор пронизывают невидимые лучи сигналов сотовой связи.

       Техногенное влияние на человека возрастает с каждым годом. Научный прогресс, к сожалению, приводит к появлению на прилавках магазинов продуктов питания, насыщенных химическими удобрениями, консервантами, всевозможными заменителями натуральных ингредиентов. Это происходит из-за использования синтетических кормов, гормонов в животноводстве и птицеводстве, удешевления производства продуктов питания с применением химических веществ.

       Однако  наибольшую угрозу здоровью и самому существованию человечества представляют употребление воды и дыхание воздухом, которые подверглись крайне негативному техногенному воздействию. Попросту вода и воздух, особенно в больших городах, отравлены выбросами промышленных предприятий, выхлопными газами автомобилей, промышленными и бытовыми стоками, ядами, образующимися в результате разложения отходов на свалках и т. д.

       Такова  негативная сторона технического прогресса, который, безусловно, облегчает жизнь  человечества своими достижениями. Но, в тоже время, отрицательно воздействует на среду обитания человека и его здоровье.

       Благодаря достижениям современной науки  можно, если не полностью ликвидировать  негативное влияние окружающей среды  на человека, то, по крайней мере, значительно  уменьшить его. Дать человеку возможность  дышать чистым воздухом, пить чистую воду, употреблять продукты питания, лишенные всевозможных ядов. Жить, наслаждаясь здоровьем и комфортом.

       Актуальность  темы. В последнее время природные воды подвергаются интенсивному загрязнению и их качество во многих регионах нельзя признать удовлетворительным. Очистные сооружения не всегда в состоянии обеспечить требуемую степень очистки воды. Для обеспечения эпидемиологической безопасности требуется совершенствование старых и внедрение новых технологий обеззараживания воды.[1]

       Целью данной работы является изучение традиционных методов очистки природных вод, таких как хлорирование и озонирование.

«Понять воду-значит понять вселенную,

все чудеса природы и саму жизнь».

                                                   Масару Эмото 

Методы  обеззараживания природных вод

       Обеззараживанием  воды называется процесс уничтожения  находящихся там микроорганизмов. До 98 % бактерий задерживается в процессе очистки воды. Но среди оставшихся бактерий, а также среди вирусов могут находиться патогенные (болезнетворные) микробы, для уничтожения которых нужна специальная обработка воды. При полной очистке поверхностных вод обеззараживание необходимо всегда, при использовании подземных вод только тогда, когда микробиологические свойства исходной воды этого требуют. Для профилактического обеззараживания и обработки воды в аварийных ситуациях сооружения обеззараживания необходимы на всех станциях подготовки хозяйственно-питьевых вод.

       Вода  – источник жизни на земле, она  играет определяющую роль в существовании  и развитии на земле организмов и человеческих цивилизаций. Там, где имелись обширные источники питьевой воды, всегда строились населенные пункты, а люди занимались земледелием. Вода обеспечивает ход химических реакций и образует всевозможные соединения, с ее помощью орошаются земли, тушатся пожары и готовятся блюда. Однако с появлением примесей бесцветная жидкость теряет свои свойства и становится непригодной для потребления и использования в производственных целях. Чистая вода – залог здоровья и экологичности окружающего мира.

       Очистка воды – острейшая проблема сегодняшнего дня. Объем загрязненной воды постоянно  увеличивается, и даже та, что используется для водоснабжения, зачастую не может  похвастаться по-настоящему высоким  качеством. Порядка 90% всех используемых водных ресурсов требуют постоянной очистки, а существующие источники пресной воды не справляются с потребностями, которые предъявляют как миллиарды людей в целом, так и отдельные города, организации и землевладельцы.

       Из  числа известных методов очистки  воды многие находятся пока на стадии чисто научных разработок. К ним относятся, например, пропускание постоянного, переменного или импульсного тока, анодное разложение, кавитация, радиационное облучение рентгеном, гамма-квантами или ускоренными электронами. Другие способы, такие как обработка перекисью водорода, перманганатом калия, ионами тяжелых металлов, иодирование, бромирование, в силу ряда причин являются технологиями малых расходов и специальных схем обработки воды.[2]

       Реальными практическими технологиями, прошедшими проверку на действующих крупномасштабных сооружениях очистки воды, являются хлорирование, озонирование и ультрафиолетовое (УФ) облучение. Каждая из этих технологий обладает преимуществами и недостатками по приемлемости в технологическом процессе, характеру воздействия на воду и его последствиям, экономической эффективности, возможностям и затратам на внедрение технологии в существующие системы водоочистки. Выбор конкретной технологии должен основываться на комплексном анализе этих преимуществ и недостатков с гигиенической, технико-эксплуатационной и экономической точек зрения.

       Каждая  из технологий (хлорирование, озонирование, УФ-облучение), если она применяется  в соответствии с нормами, может  обеспечить необходимую степень  инактивации бактерий, в частности, по индикаторным бактериям группы кишечной палочки и общему микробному числу.

       Известно, что хлорирование является наименее эффективным по отношению к вирусам. Проведенные в последнее время  исследования доказали, что традиционные схемы хлорирования во многих случаях не являются барьером на пути проникновения вирусов в питьевую воду.

       Озон  и ультрафиолет имеют достаточно высокий вируцидный эффект при реальных для практики дозах: озон 0,5-0,8 мг/л  при контакте 12 мин, ультрафиолет при  дозе 16-40 мДж/см².

       По  отношению к цистам патогенных простейших высокую степень очистки не обеспечивает ни один из методов обеззараживания. Для удаления этих микроорганизмов  рекомендуется сочетать процессы обеззараживания  с процессами снижения мутности (коагуляцией, отстаиванием, фильтрацией).

       Важным  моментом при определении схемы  очистки является возможность повторного роста микроорганизмов после  процесса дезинфекции. Хлорирование в  общем случае обеспечивает консервацию  воды после обеззараживания, однако следует подчеркнуть, что остаточный хлор в дозах 0,3-0,5 мг/л не является барьером при вторичном загрязнении питьевой воды.

       Еще более остра эта проблема для  озонирования. В целом ряде исследований, выполненных в последние годы, было установлено, что в результате действия озона на органические соединения последние переходят из биологически устойчивых форм в биоразлагаемые, которые затем легко усваиваются микроорганизмами. Сравнительный анализ показал, что после озонирования часто наблюдается значительный рост бактерий, в то время как в хлорированной воде данный рост не отмечался. Повторный рост микроорганизмов вынудил в ряде случаев либо отказаться вообще от озонирования, либо ввести дополнительное остаточное хлорирование. Однако применение хлорирования вслед за озонированием также имеет свои проблемы. Образующиеся в результате озонирования кислоты и альдегиды могут являться инициаторами образования хлорорганических соединений при последующем хлорировании.

       Важно подчеркнуть, что при использовании  любого из методов обеззараживания воды надежным гарантом предупреждения вторичного загрязнения и бактериального заражения питьевой воды может служить лишь надлежащее санитарно-техническое состояние водопроводной сети и связанного с нею оборудования.[3]

       Одной из основных причин, из-за которых применимость традиционного метода обеззараживания хлором ставится сейчас под сомнение, является образование в воде под действием хлора хлорорганических соединений. Хлорорганические соединения по данным многочисленных исследований по отношению к человеку обладают высокой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью. Хлорирование сточных вод перед сбросом в водоемы приводит к тому, что хлорпроизводные и остаточный хлор, попадая в естественные водоемы, оказывают отрицательное воздействие на различные водные организмы, вызывая у них серьезные физиологические изменения и даже их гибель. Кроме того, хлорорганические соединения являются и загрязнителями питьевой воды, так как, обладая высокой стойкостью, вызывают загрязнение рек на значительных расстояниях вниз по течению, практически не извлекаясь в процессе водоподготовки.

       Считается, что озонирование является экологически более чистой технологией. Однако при  озонировании также возможно образование  побочных продуктов, классифицируемых нормативами как токсичные. При этом перечень таких продуктов не меньше, чем в случае хлорирования. К ним относятся броматы, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, хиноны, фенолы и другие гидроксилированные и алифатические ароматические соединения. Безвредность продуктов разложения органических веществ, образующихся в результате озонирования, требует серьезных исследований.

Хлорирование  воды

       Хлорирование  воды – обработка воды хлором и  его соединениями. Наиболее распространенный способ обеззараживания питьевой воды; основан на способности свободного хлора и его соединений угнетать ферментные системы микробов, катализирующие окислительно-восстановительные процессы. Для обеззараживания питьевой воды применяют хлор, двуокись хлора, хлорамин и хлорную известь. Необходимая доза препарата устанавливается пробным хлорированием воды: она определяется хлорпоглощаемостью воды (количество хлора, необходимое для связывания главным образом содержащихся  в воде органических соединений). Хлор вводят с избытком (остаточный хлор) с целью уничтожения микробов, попадающих в воду после её хлорирования. Содержание остаточного свободного хлора через 30 мин после хлорирования воды должно быть не менее 0,3 мг/л. В некоторых случаях проводят двойное хлорирование воды – до очистки (предварительное хлорирование воды) и после неё (заключительное хлорирование воды); при наличии в воде веществ, которые после хлорирования воды могут придать ей неприятный запах и привкус, воду до хлорирования обрабатывают аммиаком или аммонийными солями.[4]

       Хлорирование воды применяют и для обеззараживания питьевой воды в полевых условиях; наиболее надежен метод суперхлорирования, обеспечивающий избыток активного хлора не менее 10 мг/л при экспозиции не менее 30 мин. Суперхлорирование применяется и для обеззараживания воды в системах централизованного водоснабжения при эпидемиологических показаниях. После суперхлорирования проводится дехлорирование – устранение избыточного хлора физическими или химическими методами.

       Хлорирование  воды применяют также для обеззараживания сточных вод, воды плавательных бассейнов, обесцвечивания, обезжелезивания производственных вод и пр. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

История

       По  мнению многих экспертов, хлорирование воды - это самое крупное изобретение  в медицине, а точнее в профилактической гигиене XX века, принесшее огромную пользу человеку. Именно хлорирование воды, а не открытие антибиотиков, инсулина или пересадка сердца спасло больше всего жизней. Оно остановило распространение кишечных инфекций в городах.

       Хлорирование  воды как средства ее обеззараживания было начато в начале XX века. Впервые хлор для обеззараживания воды стали использовать в Лондоне после эпидемии холеры 1870 года. В России хлорирование воды было осуществлено в 1908 году, также в связи с эпидемией холеры. В дальнейшем, его проводили в Кронштадте, Нижнем Новгороде, Ростове-на-Дону, Петербурге. На первом этапе, однако, это носило спародический характер. В последующие годы хлорирование воды как эффективное средство борьбы с инфекционными заболеваниями распространилось во всем мире быстрыми темпами и в настоящее время такой водой пользуются многие сотни миллионов людей.

       Не  секрет, что хлор – это яд. Яд настолько  сильный, что именно хлор был одним  из первых газов, использовавшихся в  первой мировой войне в качестве химического оружия. Токсичность хлора связана с его высокой окислительной способностью – он входит в тройку самых сильных галогенов. Это в свою очередь означает, что хлор способен разрушать любую органику и создавать на ее основе хлорорганические соединения.

       В последнее время появляются новые методы обеззараживания воды. Но они пока еще дороже хлорирования и не гарантируют от заражения уже обработанной воды после того, как она пошла по трубам. А потому отказываться от хлора еще рано. Во всяком случае, когда от хлора отказались в Перу для сокращения числа раковых заболеваний, то это привело к тяжелой вспышки холеры.[5] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Процесс

       Для хлорирования воды на водопроводных  очистных станциях используется жидкий хлор и хлорная известь (для станций  малой производительности). При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты

С₁₂ + Н₂О = НОСl + НСl

       Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты

НОСl = Н⁺ + ОСl^-

       Получающиеся  в результате диссоциации хлорноватистой кислоты гипохлоритные ионы ОСl^- обладают наряду с недиссоциированными молекулами хлорноватистой кислоты бактерицидным свойством.

       Сумму С₁₂+НОСl+ОСl- называют свободным активным хлором.

       Количество  активного хлора, необходимого для  обеззараживания воды, должно определяться не по количеству болезнетворных бактерий, а по всему количеству органических веществ и микроорганизмов (а также и неорганических веществ, способных к окислению), которые могут находиться в хлорируемой воде.

       Правильное  назначение дозы хлора является исключительно  важным. Недостаточная доза хлора может привести к тому, что он не окажет необходимого бактерицидного действия; излишняя доза хлора ухудшает вкусовые качества воды. Поэтому доза хлора должна быть установлена в зависимости от индивидуальных свойств очищаемой воды на основании опытов с этой водой.

       Расчетная доза хлора при проектировании обеззараживающей установки должна быть принята исходя из необходимости очистки воды в  период ее максимального загрязнения (например, в период паводков).

       Показателем достаточности принятой дозы хлора служит наличие в воде так называемого остаточного хлора (остающегося в воде от введенной дозы после окисления находящихся в воде веществ). Согласно требованиям ГОСТ 2874—73, концентрация остаточного хлора в воде перед поступлением ее в сеть должна находиться в пределах 0,3— 0,5 мг/л.

       При введении хлора в обрабатываемую воду должны быть обеспечены хорошее  смешивание его с водой и достаточная  продолжительность (не менее 30 мин) его  контакта с водой до подачи ее потребителю. Хлорирование уже осветленной воды обычно производят перед поступлением ее в резервуар чистой воды, где и обеспечивается необходимое для их контакта время.[6] 
 
 
 

В чем польза хлорирования воды

       Широкому  распространению хлора в технологиях  водоподготовки способствовала его  эффективность при обеззараживании природных вод и способность консервировать уже очищенную воду длительное время. Кроме того, предварительное хлорирование воды позволяет снизить цветность воды, устранить ее запах и привкус, уменьшить расход коагулянтов, а также поддерживать удовлетворительное санитарное состояние очистных сооружений станций водоподготовки.

       Эффективность, доступность и умеренная стоимость, а так же большой опыт работы с  этим реагентом обеспечили хлору  исключительную роль - более 90% водопроводных станций в мире обеззараживают и обесцвечивают воду хлором, расходуя до 2 млн. тонн этого жидкого реагента в год.

       Однако  хлор как реагент водоподготовки имеет существенные недостатки. Например, хлор и хлорсодержащие соединения обладают высокой токсичностью, что требует строгого соблюдения повышенных требований техники безопасности. Хлор воздействует, в основном, на вегетативные формы микроорганизмов, при этом грамм-положительные штаммы бактерий более устойчивы к воздействию хлора, чем грамм-отрицательные штаммы микроорганизмов.

       Высокой резистентностью к действию хлора  обладают также вирусы, споры и  цисты простейших и яйца гельминтов. Необходимость транспортировки, хранения и применения на водопроводных станциях значительного количества жидкого  хлора, а также сбросы этого вещества и его соединений в окружающую среду обусловили высокую экологическую опасность. К тому же, хлор обладает высокой коррозионной активностью.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

В чем проблема?

       Наиболее  важной проблемой данного метода является высокая активность хлора, он вступает в химические реакции со всеми органическими и неорганическими веществами, находящимися в воде. В воде из поверхностных источников (которые в основном являются источниками водозабора) находится огромное количество сложных органических веществ  природного происхождения, а также в большинстве крупных промышленных городов в воду попадают с промышленными стоками красители, ПАВ, нефтепродукты, фенолы и пр.           

       При хлорировании воды, содержащей вышеприведенные  вещества, образуются хлорсодержащие токсины, мутагенные и канцерогенные вещества и яды, в том числе диоксиды, а именно:  

• Хлороформ, обладающий канцерогенной активностью
• Дихлорбромметан, хлоридбромметан, трибромметан - обладающие мутагенными свойствами
• 2,4,6-трихлорфенол, 2-хлорфенол, дихлорацетонитрил, хлоргиередин, полихлорированные бифенилы - являющиеся иммунотоксичными и канцерогенными веществами
• Тригалогенметаны - канцерогенные соединения хлора

       Данные  вещества оказывают замедленное  убийственное воздействие на организм человека. Очистка питьевой воды от хлора не решает проблемы, так как многие из опасных соединений образующиеся в воде в процессе ее хлорирования попадают в организм человека через кожу, во время мытья, приема ванн или посещения бассейна. По некоторым данным, часовое принятие ванны содержащей в избыточном количестве хлорированную воду соответствует десяти литрам выпитой хлорированной воды.[7]

       Первые  попытки связать онкологическую заболеваемость населения с качеством  питьевой воды были предприняты еще  в 1947 году. Но вплоть до 1974 года хлорирование воды никак не связывали с онкологией. Считалось, что хлорированная вода не оказывает на здоровье человека неблагоприятного действия.

       К сожалению,  данные по связи потребления  хлорированной питьевой воды поверхностных водоисточников с частотой злокачественных новообразований у населения стали накапливаться только с 70-х годов. Поэтому до сих пор на этот счет существуют разные точки зрения. По мнению некоторых исследователей, с употреблением загрязненной воды может быть связано от 30 до 50% случаев злокачественных опухолей. Другие приводят расчеты, в соответствии с которыми потребление речной воды (по сравнению с водой подземных источников) может привести к увеличению онкологической заболеваемости на 15%. 
 
 

Чем опасен хлор, попадающий в организм человека

       Побочный  эффект от вредного воздействия хлора  может быть вызван двумя способами: когда хлор проникает в организм через дыхательные пути, и когда  хлор проникает через кожу. Ученые во всем мире исследуют эту проблему. Они связывают многие опасные заболевания с попаданием в человеческий организм хлора или вредных побочных продуктов хлорирования воды. К этим заболеваниям относят: рак мочевого пузыря, рак желудка, рак печени, рак прямой и ободочной кишки.

       Но  страдают не только органы пищеварения. Также хлор может стать причиной болезни сердца, атеросклероза, анемии, повышенного давления. Помимо этого хлор сушит кожу (вспомните ощущение стянутости кожи после бассейна), разрушает структуру волос (они начинают больше выпадать, становятся ломкими, тусклыми, безжизненными), раздражает слизистую оболочку глаз.

       Эпидемиологи  США провели исследование: они  сравнили карту хлорирования воды с  картой распределения заболеваний  раком мочевого пузыря и органов  пищеварения. Выявили прямую зависимость: чем больше содержание хлора в воде, тем чаще встречается заболевание. 

И что же делать?

       Пока  хлорирование является наиболее проверенным  и дешевым методом обеззараживания  воды. В ближайшие 20 лет хлорирование воды будет применяться на большинстве станций водоподготовки всех российских водоканалов, постепенно вытесняясь альтернативными методами – озонированием и ультрафиолетом. После процесса хлорирования, свободный хлор из воды улетучивается, однако в водопроводной воде всегда присутствует остаточный хлор иногда, особенно в период паводков, в повышенных концентрациях. Поэтому воду рекомендуют перед употреблением отстоять в течение суток.

       Для гарантированного удаления хлора из воды воспользуйтесь хорошим фильтром, который удалит все вредные примеси и сделает ее приятной на вкус.

       Следует помнить, что пропущенная через  фильтр вода очищена от большинства  загрязняющих примесей, в том числе  и от хлора, убивающего бактерии. Впрок  запасаться такой водой не следует, потому что она лишена "консерванта" - хлора, и бактерии начинают размножаться в приятной для них чистой и теплой воде особенно быстро. Если Вы все же решили хранить очищенную воду дольше суток, держите ее в холодильнике в сосуде из нейтрального материала - стекла или пищевой пластмассы. 
 
 

Озонирование  воды

       Озонирование  – применение озона для проведения реакций окисления, но главным образом  для обработки воздуха и воды с целью их обеззараживания и  устранения дурного запаха. Для стерилизации воды её насыщают озонированным воздухом в специальных резервуарах – стерилизаторах; большое достоинство метода – отсутствие каких-либо остаточных веществ в воде.

       Озонирование  воды - это метод водоподготовки, при котором происходит глубокая и комплексная очистка воды без  каких либо побочных эффектов. Озон, природный окислитель, благодаря своей активности, при смешивании с очищаемой водой, достаточно быстро окисляет загрязнения, переводя их из растворенного состояния во взвесь, которая легко задерживается на угольном фильтре. Остаток озона превращается опять в кислород, из которого он и был произведен, вода же, пройдя через угольный фильтр - осветлитель является готовым к употреблению. Процесс очистки происходит достаточно быстро, при этом не требуется никаких расходных реагентов, материалов, регламентных работ, в воде не образуются вредные примеси, сохраняется минеральный состав и уровень pH, другими словами, очистка является абсолютно экологически безопасной. Большинство самых распространенных загрязнений, это металлы, за исключением золота и платины, и другие загрязнения -  практически все органического происхождения, подвержены озоновому окислению. Обладая высокой стерилизующей способностью, озон оказывает обеззараживающее воздействие на возбудителей вирусных заболеваний, в том числе и на споры, стойкие к хлорной обработке. Благодаря озоновой технологии, мы получаем очищенную, насыщенную кислородом и обеззараженную питьевую воду, высочайшего качества.[8]

       Озонирование  воды широко используется, например, при  очистке воды из подземных и поверхностных  источников, оборотной воды бассейнов, очистке и стерилизации сточных вод, применяется для обеззараживания воды, предназначенной для бутилирования, удаляя из воды все неприятные привкусы и запахи, используется для дезодорации воздуха, очистки вентиляционных выбросов и т.д. Одной из актуальных проблем человечества в новом тысячелетии является водоподготовка: очистка и получение пригодной для потребления воды. На сегодня вода (по данным ВОЗ) менее чем из 1% источников хозяйственного водоснабжения не требует дополнительной очистки. В остальных случаях подготовка и особенно обеззараживание воды просто необходимы, так как при использовании некачественной воды достаточно велик риск всевозможных заболеваний.