Как дезинфицировать воду

Перед тем как вода станет отвечать требованиям питьевой воды (СанПиН 2.1.4.1074-01 и СанПиН 2.1.4.1116-02), она проходит несколько этапов водоподготовки. Одним из ключевых является биологический этап очистки воды от микроорганизмов. В обзоре представлена сравнительная характеристика основных методов дезинфекции воды (хлорирование, озонирование и применение ультрафиолетового излучения) с указанием их основных сильных и особенно слабых сторон. Под дезинфекцией будем понимать очистку воды от микроорганизмов. Для успешного избавления от микроорганизмов, как правило, недостаточно одного из методов, поэтому современная водоподготовка подразумевает многостадийность. На разных этапах водоподготовки (механическая очистка, отстаивание, умягчение) также происходит обеззараживание воды.

Хлорирование

Это самый распространенный и универсальный способ очистки воды. Помимо газообразного хлора в качестве дезинфектантов также используют хлорпроизводные соединения: гипохлориты, диоксид хлора и хлорамин.

Преимущества метода:

• дешёвый, хорошо разработан и описан: при водоподготовке в 99 из 100 случаев используют хлорпроизводные вещества (Ягуд, 2002);
• эффективен для инактивации и дезинфекции от вирусов и бактерий;
• устраняет цвет и запах;
• создаёт эффект консервации: вода может храниться и транспортироваться, что позволяет заниматься доставкой воды и быть уверенным в её качестве (Кожевников, Петросян, 2004);
• является маркером для эффективного мониторинга качества воды: содержание свободного хлора в концентрациях 0,3–0,5 мг/л свидетельствует о санитарной безопасности воды;
• снижает содержание железа, аммония, сульфидов.

Недостатки метода:

• хлорированные стоки нельзя использовать для полива растений и спускать в рекреационные водоёмы, так как остаточный хлор может ухудшать качество продукции и загрязнять окружающую среду хлоридами;
• хлор и его производные являются веществами 1 класса опасности: транспортировка и использование этих веществ связано с высокими рисками как для людей, так и для окружающей среды;
• высокие дозы хлора вызывают раздражение кожи и слизистых;
• хлорирование воды не отвечает принципам «зелёной химии» и не соответствует концепции устойчивого развития;
• при высоком содержании органических примесей в воде может образовываться множество хлорпроизводных соединений (WHO, 2000): прежде всего это тригалометаны и хлорпроизводные уксусной кислоты. Эти вещества являются канцерогенными (EPA, 2011) и влияют на репродукцию (Nickmilder, Bernard, 2011; Nieuwenhuijsen et al., 2000). Таким образом, вероятность возникновения таких соединений выше при заборе воды из открытых источников. Проблема загрязнения воды тригалометанами была частично решена использованием двуокиси хлора – реагента, постепенно вытесняющего хлор и гипохлориты в качестве дезинфектантов в ЕС и CША;
• даже в высоких дозах малоэффективен против цист криптоспоридий и лямблий (EPA, 2011);
• бактерицидное действие хлора снижается в присутствии некоторых поверхностно-активных веществ, детергентов и некоторых пестицидов (Хотько, Дмитриев, 2002);
• при высокой контаминации воды кишечной палочкой хлор недостаточно эффективен: концентрациях 0,5 мг/л свободного хлора или 1 мг/л связанного хлора при 30-минутном контакте удаётся добиться качества воды, соответствующего ГОСТ, если в исходной воде содержалось не более 104 кишечных палочек (Губарь, Козлова, 1967);
• бактерицидное действие хлора зависит от ряда дополнительных факторов: при низкой температуре (0–4 °C) и при высоком значении рН бактерицидное действие хлора снижается (Хотько, Дмитриев, 2002);
• необходима высокая коррозионная стойкость трубопроводов при использовании гипохлоритов;
• неудовлетворительные результаты по вкусу.

Озонирование

Всё чаще в мире предпочтение отдаётся озонированию, поскольку этот способ имеет ряд преимуществ перед хлорированием. Исторически сложилось, что главным преимуществом озонирования считается экологичность метода по сравнению с хлорированием. Бытуем мнение: «хлор – вредно, хлорпроизводные – рак», хотя мало где говорится, что озон также чрезвычайно токсичен для человека.

Преимущества метода:

• более эффективен для дезинфекции против вирусов крипотоспоридий и лямблий, чем хлор (WHO, 2008);
• не образует хлорпроизводных токсинов;
• не вызывают раздражение кожи и слизистых;
• разлагает ксенобиотики: пестициды (Ikehata К., Gamal El-Din М., 2005) и лекарственные средства (Ikehata K. et al., 2006);
• менее чувствителен к изменениям pH, чем хлорирование;
• эффективно удаляет посторонние вкусы, запахи и цвет.

Недостатки метода:

• высокая токсичность озона: максимальная разовая предельно допустимая концентрация в атмосферном воздухе населённых мест – 0,16 мг/м3 (ГН 2.1.6.1338-03);
• энергозатратность: для производства озона требуется напряжение тока около 10–20 кВ.;
• дороговизна: озонирование на 30 % дороже хлорирования воды того же объёма (M. Rojas-Valencia, 2011);
• отсутствие эффекта консервации воды: санитарно-микробиологическое качество такой воды быстро падает со временем (Хотько, Дмитриев, 2002), поэтому остро встает вопрос о хранении и транспортировке такой воды – по этой причине за озонированием обычно следует хлорирование воды;
• эффективность сильно снижается при высоком содержании в воде органического вещества, некоторых неорганических соединений (аммония и Fe2+) и высоком pH (EPA, 2011). Поэтому при обработке озоном воды из открытых источников требуется постоянный контроль состояния воды по химическому составу;
• образуется множество окисленных органических соединений, таких как формальдегид, ацетальдегид, глиоксаль и метилглиоксаль (Schechter, Singer, 1995). Эти вещества являются прекрасным субстратом для микрофлоры (Escobar, Randall, 2001), которая может являться источниками вторичного загрязнения воды. Кроме того, хлорпроизводные этих веществ, образующиеся при совместной очистке воды озонированием и хлорированием, а также сами вещества являются канцерогенными веществами. Поэтому при озонировании воды ставятся дополнительные фильтры-ловушки для указанных выше веществ;
• образуются броматы – канцерогенные вещества (WHO, 2000), поэтому при высоком содержании бром-ионов в воде озонирование не подходит как метод дезинфекции воды.

Применение ультрафиолетового излучения

Из физических методов обеззараживания воды наибольший интерес представляет применение ультрафиолетовых лучей (УФ) – единственный физический метод, который получил практическое применение. Обеззараживание ультрафиолетовыми лучами основано на действии волн длиной 200–300 нм на белковые коллоиды и ферменты микробов (Хотько, Дмитриев, 2002).

Преимущества метода:

• сохраняется исходный минеральный состав воды;
• не образуются токсичные побочные продукты, такие как броматы и хлорпроизводные органические соединения);
• эффективен для инактивации бактерий и вирусов.

Недостатки метода:

• неэффективен при коли-титре более 1 000 КОЕ/мл, мутности более 15 мг/л и высокой цветности (Петрановская и др., 1986), при повышенном содержании железа, марганца и органического вещества, а также против лямблий и криптоспоридий (EPA, 2011);
• быстро исчезает дезинфицирующий эффект;
• результаты по дезинфекции подвержены сезонности;
• при длине волны излучения 254 нм возможно образование нитрит-ионов из нитрат-ионов (Lu et al., 2009). Нитриты в желудке человека могут образовывать нитрозамины – канцерогенные вещества;
• возможное осаждение на лампах загрязнителей, которые ухудшают дезинфицирующие свойства, а при повреждении лампы возможно загрязнение ртутью;
• высокая энерго- и ресурсозатратность.

Использование серебра и других тяжёлых металлов. Метод ионизации воды ионами серебра и меди

Бактерицидное действие серебра известно издревле. В последнее время ионы серебра и меди, обладающих выраженным бактерицидными свойствами, широко используются в качестве эффективных дезинфектантов. Метод ионизации воды ионами меди и серебра применяют для дезинфекции бассейнов и в больничных системах водоснабжения для борьбы с внутрибольничными инфекциями (EPA, 2015). В источнике утверждается, что этот вид очистки является самым эффективным от патогенных бактерий рода Legionella, в связи с чем военные США приняли ионизацию воды ионами меди и серебра как лучший альтернативный метод для получения питьевой воды. Несмотря на высокую эффективность, метод имеет ряд недостатков:

• слабая активность против цист криптоспоридий и вирусов;
• загрязнение электродов органическим веществом, приводящее к неэффективности метода;
• при высоком содержании органического вещества последнее будет взаимодействовать с ионами серебра, осаждать их и тем самым снижать дезинфицирующий эффект;
• ионы серебра и меди могут засорять трубопроводы, выпадая в виде солей;
• не может являться единственным методом дезинфекции при водоподготовке.

Фильтрование

Всё большую популярность набирает использование фильтров-картриджей: они достаточно эффективны в качестве доочистителей воды, однако неэффективны при вирусном загрязнении воды и при титре криптоспоридий выше 103 (ЕРА,1999). Такие фильтры, как правило, малопроизводительны и не решают главную проблему – уничтожение патогенных организмов. После прохождения цикла использования фильтры необходимо утилизировать должным образом, поскольку при нарушении эксплуатации фильтров высока вероятность вторичного заражения воды.

Заключение

Любой метод водоочистки имеет свои плюсы и минусы, и современная водоподготовка основывается на многостадийности и комплексности методов, направленных на приведение физических, химических и биологических параметров в соответствие с нормой. То же самое можно говорить и об отдельных её элементах: главным трендом дезинфекции воды является комплексность методов дезинфекции, основанная на синергетических эффектах различных методов:

• озонирования и УФ (Sharrer et al., 2007);
• ионизации и УФ (ЕРА, 2015);
• фильтрования и озонирования или УФ (Amirsardari et al., 2001).

Ниже приведены сравнительная таблица по методам дезинфекции (табл. 1) и побочным токсичным продуктам, образующихся при озонировании и использовании хлорпроизводных дезинфектантов (табл. 2).

Таблица 1. Сводная таблица по сравнению методов дезинфекции (EPA, 1999)

Таблица 2. Побочные продукты дезинфекции (EPA, 1999)

¹MCGL – недействующей концентрации, норматив Агентства по охране окружающей среды США

²MCL – аналог ПДК, норматив Агентства по охране окружающей среды США

Список литературы

1. Губарь М.А., Козлова М.А. Гигиеническая оценка обеззараживания питьевой воды свободным и связанным хлором // Гигиена и санитария, 1967. – № 5. – С. 11.
2. Кожевников А.Б., Петросян О.П. Для тех, кому не нравится хлор // СтройПРОФИль, 2004. – № 4. – C. 1.
3. Петрановская М.А. и др. Новое направление в обеззараживании воды ультрафиолетовыми методами // Санитария и гигиена, 1986. – № 12. – С. 54–56.
4. Гигиенические нормативы 2.1.6.1338-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест».
5. Хотько А.П., Дмитриев Н.И. Водный фактор в передаче инфекций. – Пенза, 2002. – 232 с.
6. Ягуд Б.Ю. Хлор как дезинфектант – безопасность при применении и проблемы замены на альтернативные продукты // V Международный конгресс и техническая выставка «ЭКВАТЭК-2002»: «Вода: экология и технология» (4-7 июня 2002).
7. Amirsardari Y. et at. Effect of ozonation and UV irradiation with direct filtration on disinfection and disinfection by-product precursors in drinking water treatment // Environ Technol, 2001. – V. 22. – № 9. – P. 1015–1023.
8. Combating Waterborne Diseases at the Household Level // World Health Organization, 2007. – 36 p.
9. Guidance Manual Alternative Desinfectants and Oxidants// EPA, 1999. – P. 328.
10. Escobar I., Randal A. Assailable organic carbon (AOC) and biodegradable dissolved organic carbon (BDOC): complementary measurements // Water Research, 2001. – V. 35. – № 18. – P. 4444–4454.
11. Water Treatment Manual: Disinfection // EPA, 2011. – P. 189.
12. Guidelines for drinking-water quality (electronic resource): incorporating 1st and 2nd addenda. Recommendations // World Health Organization, 2008. – 515 p.
13. Ikehata K. et al. Degradation of Aqueous Pharmaceuticals by Ozonation and Advanced Oxidation Processes: A Review // Ozone: Science and Engineering, 2006. – V. 28. – P. 353–414.
14. Ikehata К., Gamal El-Din М. Aqueous Pesticide Degradation by Ozonation and Ozone-Based Advanced Oxidation Processes: A Review (Part I) // Ozone: Science and Engineering. – 2005. – V. 27. – P. 83–114.
15. Disinfectants and Disinfectant By-Products // Environmental Health Criteria 216, World Health Organisation, 2000.
16. Lu N. et at. Nitrite formation during low pressure ultraviolet lamp irradiation of nitrate // Water Science & Technology, 2009. – V. 60. – № 6. – P.1393–1400.
17. Sharrer M.J. et al. Ozonation followed by ultraviolet irradiation provides effective bacteria inactivation in a freshwater recirculating system // Aquacultural Engineering, 2007. – V.37. – P. 180–191.
18. Nickmilder M., Bernard A. Associations between testicular hormones at adolescence and attendance at chlorinated swimming pools during childhood // International Journal of Andrology, 2011. – V. 34. – Р. 446–458.
19. Nieuwenhuijsen M.J. et al. Chlorination disinfection by-products in water and their Association with adverse reproductive outcomes: a review // Occupational and Environmental Medicine, 2000. – V. 57. – P. 73–85.
20. Rojas-Valencia M.N. Research on ozone application as disinfectant and action mechanisms on wastewater microorganisms // FORMATEX, 2011. – P. 263–271.
21. Schechter D.S., Singer Ph.C. Formation of Aldehydes During Ozonation // Ozone: Science & Engineering, 1995. – V. 17. – P. 1.
22. Technologies for Legionella Control: Scientific Literature Review // EPA, 2015. – P. 1-97.