Методы обеззараживания и опреснения воды.

Обеззараживание воды.

Опреснение воды.

Обеззараживание воды.

Обеззараживание воды - процесс дезинфекции, в ходе которого происхо­дит уничтожение микроорганизмов. Су­ществуют несколько методов обеззара­живания воды:

Хлорирование воды. Это один из наиболее часто используемых в нашей стране методов обеззараживания воды, применяемый на водопроводных стан­циях. При этом производится обработ­ка воды хлором, что приводит к разру­шению многих органических примесей и гибели микроорганизмов. Иногда хло­рирование воды приводит к образова­нию сильно пахнущих хлорпроизводных продуктов распада. Особенно устойчи­выми и неприятными являются запахи, возникающие при содержании в обра­батываемой воде фенолов. Со време­нем эти запахи усиливаются и не исче­зают при нагревании. Но самое плохое, что может проис­ходить при хлорировании воды, это даже не запах, а то, что в процессе обработки происходит недо­статочно глубокое разложение органи­ческих веществ и возможен непроиз­вольный синтез новых, даже более ток­сичных веществ, чем исходные (напри­мер, хлорфенолов, хлораминов и др.). При этом следует учитывать и тот факт, что при хлорировании нельзя добиться полной стерилизации и в воде могут оставаться единичные сохраняющие жизнеспособность микроорганизмы. Отмечены случаи, когда содержа­ние в питьевой воде канцерогенных и других вредных веществ, которые обра­зуются в процессе хлорирования, при­водили к 8 - 10-кратному превышению их предельных концентраций.

Озонирование воды. Это более высокотехнологичный способ обработ­ки воды, распространенный в развитых странах. Бактерицидное действие озо­на связано с активным проникновени­ем этой химически активной формы кислорода через клеточные мембраны и последующим окислением органических веществ, что и вызывает гибель бакте­риальной клетки. Наряду с обеззаражи­ванием, озонирование приводит к улуч­шению вкуса, уничтожению запахов воды.

Обеззараживание воды сереб­ром. Бактерицидное действие серебра известно уже давно. Оно связано с про­цессом соединения ионов серебра с ферментными системами и оболочкой бактерий. Однако, если посмотреть повнима­тельнее на проблемы, связанные с этим методом дезинфекции, не все выглядит таким радужным, как это пытаются пре­поднести различные производители в своей рекламе. Не следует забывать что серебро - тяжелый металл, имеющий высокую степень опасности для здоро­вья (в одном ряду со свинцом, кобаль­том, мышьяком и другими веществами). Как и другие тяжелые металлы, сереб­ро способно накапливаться в организ­ме и вызывать заболевания (аргироз - отравление серебром). Кроме того, для бактерицидного действия серебра на бактерии требуются достаточно боль­шие концентрации, а в допустимых ко­личествах (около 50 мкг/л) оно способ­но оказывать лишь бактериостатическое действие, т.е. останавливать рост бактерий, не убивая их. А некоторые виды бактерий вообще практически не чувствительны к серебру. Все эти свойства ограничивают при­менение серебра. Оно может быть уме­стно только в целях сохранения исход­но чистой воды для длительного хране­ния (например, на космических кораб­лях). Часто используются серебрение фильтров на основе активированного угля. Это делается с целью предотвра­тить обрастание фильтра микроорганиз­мами, т.к. отфильтрованные органичес­кие вещества являются хорошей пита­тельной средой для многих бактерий.

Обеззараживание воды ульт­рафиолетовыми лучами. Данный метод основан на способности ультра­фиолетового излучения с определен­ной длиной волны губительно действо­вать на ферментные системы бакте­рий, вызывая их гибель. Качественной особенностью этого метода является то, что не происходит введения ника­ких химических соединений, а значит, вода не меняет своих физических, хи­мических и вкусовых свойств. 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.

Ультразвуковая обработка воды. Колебания среды с частотами, превыша­ющими 20 000 Гц, называются ультразву­ковыми. При распространении ультразву­ка в воде, вокруг объектов, находящихся в ней и имеющих другую плотность, воз­никают микроскопические области очень высокого давления (десятки тысяч атмос­фер), сменяющегося высоким разрежени­ем. Это явление называют ультразвуковой кавитацией. Никакой микроорганизм не способен выдержать такие воздействия и происходит механическое разрушение бактерий. 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.

Йодирование воды. Это метод де­зинфекции, при котором применяются йодсодержащие соединения. Как бакте­рицидный агент, йод известен доволь­но давно и широко применяется в ме­дицине. Сложности связаны с низкой растворимостью йода в воде, поэтому чаще всего используются его органичес­кие соединения. Йодированием часто дезинфициру­ют воду в плавательных бассейнах. Су­ществуют ряд препаратов (т.н. йодные таблетки), используемые для индивиду­альной дезинфекции воды в походных условиях. По некоторым оценкам это наиболее эффективные средства обез­зараживания малых объемов воды в полевых условиях.

Термический метод (кипячение). Это, наверное, самый старый и хорошо известный метод, которым мы пользу­емся ежедневно. Кипячение является исключительно бытовым методом обез­зараживания, однако он не дает полной гарантии гибели бактерий или их спор. Кроме того, при кипячении происходит удаление из воды растворенных в ней газов (кислорода, углекислого газа), что снижает ее вкусовые свойства. При кипячении происходит частич­ное смягчение воды из-за того, что в осадок выпадает часть солей кальция и магния, которые из растворимых гид­рокарбонатных солей переходят в не­растворимые карбонатные.

Опреснение воды.

Существует еще ряд методик об­работки воды при которых также про­исходит ее обеззараживание. Но обеззараживание не является един­ственной целью их применения, наряду с обеззараживанием происходит опреснение воды. Это такие ме­тоды как обратноосмотическая филь­трация и дистилляция воды.

Опреснение воды - методы уда­ления из нее растворенных солей и других примесей. Эту группу можно в свою очередь разделить на химичес­кие и физические методы. Рассмотрим их поподробнее.

Химическое осаждение. Этот ме­тод основан на переводе растворен­ных солей в нерастворимые соедине­ния, которые выпадают в осадок и уда­ляются. Применяемые реактивы меня­ются в зависимости от солевого соста­ва опресняемой воды. К примеру, из­быток солей магния осаждается содой, а сульфаты могут быть удалены обра­боткой гидратом окиси бария. Метод химического осаждения тре­бует использования дорогостоящих ре­активов, каждый из которых направлен на строго определенную примесь воды, реагенты не подвергаются регенерации. По этой причине данный метод имеет очень ограниченное применение.

Ионный обмен. Метод основан на свойстве некоторых веществ обратимо обмениваться ионами с раствора­ми солей. Эти вещества называют ионообменными смолами. Это своего рода твердые электролиты, которые делятся на катиониты и аниониты.

Катиониты - вещества типа твер­дых кислот, у которых анионы пред­ставлены в виде нерастворимых в воде полимеров. Аниониты - по своей сути твердые основания, нерастворимую структуру которых образуют катионы. Их анио­ны (обычно это гидроксильная группа) подвижны и могут обмениваться с ани­онами растворов.

Химический механизм работы ионо­обменных смол заключается в последо­вательном прохождении воды через катионит и анионит. В итоге из воды уда­ляются катионы и анионы и она тем са­мым обессоливается. Обменная способ­ность ионообменных смол (ионитов) не бесконечна, постепенно она снижается, и, в конце концов, исчерпывается вов­се. В этом случае требуется регенера­ция раствором кислоты (катионит) или щелочи (анионит), что полностью вос­станавливает исходные химические свойства смол. Эта ценная особенность позволяет использовать их в течение длительного времени. Сложная процедура использова­ния ионообменных смол и их после­дующей регенерации требует автома­тизации, сложной системы управления и необходимое оборудование являет­ся довольно громоздким, что ограни­чивает его применение в быту. В на­стоящее время данный метод часто включается как один из элементов про­цесса водоподготовки в частных домах с автономной системой водоснабже­ния.

Электроосмос. Опреснение на принципе электроосмоса производит­ся в специальных аппаратах, пред­ставляющих собой электролитическую ванну, разделенную двумя полупрони­цаемыми мембранами на три отделе­ния. Исходная вода подается в сред­нюю камеру. Ионы находящихся в воде солей устремляются сквозь мембраны к электроду, имеющему противополож­ный заряд. Чистая вода остается в средней камере. Данный метод требует затрат элект­роэнергии, хотя и является достаточно эффективным. Эффективность составля­ет более 90%, достигая в некоторых слу­чаях 96%. Мембраны имеют ограничен­ный срок службы, который максимально составляет 5 лет, а при неблагоприятных условиях эксплуатации - значительно меньше. Кроме того, этот метод, как и боль­шинство других методов использующих полупроницаемые мембраны, требует предварительной подготовки очищаемой воды. Есть и еще одна особенность, кото­рая значительно ограничивает примене­ние данного метода. Это то, что все веще­ства, которые не превратились при раство­рении в ионы, не реагируют на электри­ческое поле. Т.е. большинство органичес­ких веществ, бактерий, вирусов и т.п. ос­танется в растворе.

Опреснение вымораживанием. Этот метод основан на том, что образова­ние кристаллов льда при снижении тем­пературы ниже 0 градусов происходит только из молекул воды (явление криос­копии). Вследствие этого пресная вода выделяется в виде льда из раствора. Ра­створ становится все более и более кон­центрированным. Если затем слить обра­зовавшийся рассол и растопить лед, то получится обессоленная вода.

Этот метод является крайне трудоем­ким, тем более что автоматизировать его очень сложно. Степень очистки таким ме­тодом сложно спрогнозировать и возмож­но потребуется несколько циклов замора­живания-размораживания, чтобы полу­чить действительно обессоленную воду. Кроме того, нельзя гарантировать полной дезинфекции этой воды. Есть и еще одна особенность, связанная с данным мето­дом. Это накопление концентрации так называемой тяжелой воды, химически такой же, как и обычная, но имеющей в своем составе более тяжелый изотоп во­дорода, который является радиоактив­ным. Тяжелая вода замерзает первой и сразу включается в состав образующего­ся льда. Избежать этого можно только если убирать первую корочку льда, образующу­юся в самом начале вымораживания. Это еще больше усложняет и без того не про­стую методику.

Опреснение фильтрацией. В про­цессе фильтрации используется множе­ство различных фильтрующих устройств в зависимости от цели применения. Наи­более часто используемые фильтры:

Фильтры-корректоры рН. Это филь­тры способные изменять кислотно-щелоч­ное равновесие (рН) проходящей сквозь них жидкости. Необходимость в измене­нии рН воды возникает в двух случаях: 1. Для борьбы с коррозией, т.к. вода с высо­ким и низким рН обладает высокими кор­розийными свойствами; 2. Для обеспечения оптимального ре­жима эксплуатации систем очистки воды, так как для нормальной работы некоторых видов фильтрующих сред требуется опре­деленное значение рН.

Фильтры-обезжелезиватели. Эти фильтры предназначены для удаления железа и марганца из воды. В качестве реактива в большинстве таких фильтров используется двуокись марганца, который служит катализатором реакции окисления, при которой растворенные железо и мар­ганец переходят в нерастворимую форму и выпадают в осадок. Этот осадок задер­живается фильтрующей средой и в даль­нейшем вымывается в дренаж при обрат­ной промывке.

Фильтры-умягчители. Они предназ­начены для снижения жесткости воды. Благодаря применению специальных за­сыпок фильтры этого типа могут обладать комплексным действием и способны уда­лять из воды определенные количества железа, марганца, нитратов, нитритов, сульфатов, солей тяжелых металлов.

Угольные фильтры. Активирован­ный уголь уже достаточно давно приме­няется в водоочистке для улучшения не­которых показателей воды. В частности, такими фильтрами удаляется многие не­приятные привкусы и запахи, некоторые органические примеси и т.п. Сейчас вмес­то активированного угля стали использо­вать уголь скорлупы кокосовых орехов, адсорбционная способность которого в 4 раза выше. Уже разработаны и другие сорбенты.

Угольные фильтры достаточно деше­вы и поэтому приобрели довольно боль­шое распространение. Однако их приме­нение имеет ряд больших недостатков:

1. Маленькая пропускная способ­ность. Это связано с тем, что качество фильтрации сильно зависит от скорости прохождения воды через него. Чем ниже скорость, тем лучше фильтрация, и наобо­рот, при увеличении скорости не только снижается качество фильтрации, но и может произойти сброс адсорбированных ранее примесей. В результате неправиль­ной эксплуатации вода может даже ухуд­шить свой состав в результате этого сбро­са.

2. Биообрастание. При фильтрации происходит накопление большого количе­ства органических веществ, которые яв­ляются питательной средой для многих микроорганизмов. В результате, через некоторое время использования можно получить более опасную в бактериологичес­ком отношении воду, чем исходная водо­проводная. На некоторые современные фильтры наносятся специальные антисеп­тические присадки, задачей которых яв­ляется предотвращение роста бактерий. Но это "палка о двух концах". Безопасность этих присадок для здоровья тоже являет­ся большим вопросом. К примеру, серебрение угля повышает содержание в воде серебра, которое является тяжелым ме­таллом. Залповые выбросы загрязнений. Это сбросы уже накопленных загрязнений
органической и неорганической природы, а также микроорганизмов, обильно разви­вающихся внутри фильтра, которые про­исходят при изменении скорости тока жид­кости, или по другим причинам. В резуль­тате потребитель может получить водудалеко не того качества, которое ожида­лось.

Исходя из этих особенностей, в совре­менных системах очистки воды угольные фильтры используются исключительно для предварительной подготовки воды, которая затем подвергается более каче­ственной очистке. Примером такой систе­мы являются обратноосмотические систе­мы, основной рабочей частью которых является специальная мембрана, но для того чтобы увеличить срок ее службы ис­пользуются несколько угольных фильтров предварительной фильтрации.

Фильтры механической очистки. Предназначены для удаления грубых ча­стиц размером больше 1 микрона. Это могут быть частицы песка, взвеси, ржав­чина, коллоидные вещества. Некоторые бактерии (размером 1-2 микрона) также могут отфильтровываться таким фильт­ром. Такие фильтры используются обыч­но в качестве префильтров грубой фильт­рации в более сложных системах водоподготовки. Их недостатком является сравни­тельно низкая грязеемкость, поэтому при сильном загрязнении воды или больший производительности системы они требу­ют частой промывки.

Фильтры микрофильтрации. Это фильтры с порами от 0,03 до 2 микрон. В эту категорию входят мембранные филь­тры , способные удалить большинство бак­терий, волокна асбеста, некоторые виру­сы и сажу. Это также довольно грубая фильтрация, но приборы, использующие ее, довольно дешевы и поэтому пользу­ются популярностью.

Фильтры ультрафильтрации. Бо­лее тонкие и высокотехнологичные филь­тры. Они способны отфильтровывать ча­стицы размером от 0,003 до 0,1 микрона, т.е. способны отфильтровать даже мелкие вирусные частицы и некоторые бактери­альные токсины.

Фильтры нанофильтрации. Позво­ляют осуществлять довольно качествен­ную фильтрацию частиц размером от 0,0006 до 0,009 микрон, а это уже герби­циды, пестициды, токсины, синтетические фаски. Это более высокотехнологичные мембраны, способные освободить воду от большинства опасных примесей. Но даже этим мембранам не под силу освободить воду от ионов тяжелых металлов и раз­личных солей.

Фильтры обратноосмотической фильтрации. Это самые качественные фильтрующие мембраны, способны осво­бодить воду от 99% примесей. Диаметр пор составляет около 0,0001 микрона. Та­кие размеры сложно даже представить. Такими мембранами фильтруются даже ионы металлов, не говоря уже об осталь­ных возможных примесях.

Обратноосмотическая фильтрация - это метод фильтрации, основанный на явлении так называемого обратного ос­моса. Прежде чем объяснять, что это такое, стоит определиться, что же такое обычный осмос. Иллюстрацией осмоса может служить простой пример с полу­проницаемой мембраной, т.е. такой мембраной, через которую проходят молекулы воды и практически не про­никают остальные вещества. Если по­местить такую мембрану в качестве раз­делителя двух частей сосуда, с одной стороны которого налит раствор пова­ренной соли, а с другой дистиллированная вода, то скоро будет наблюдаться перенос воды в ту часть, где находится рассол и его концентрация станет сни­жаться. Уровень жидкости в этой части сосуда начнет подниматься, а во второй - опускаться. Если вода и рассол изна­чально находятся под одинаковым дав­лением, перенос, снижая различие в концентрациях, всегда происходит из растворителя (более разбавленного ра­створа) в более концентрированный раствор (рассол). Это природное явле­ние переноса растворителя в рассол получило название осмос, а процесс называется осмотическим. При этом увеличение давления со стороны рассола приводит к уменьше­нию осмоса, и в определенной точке процесс полностью прекращается. Дав­ление, при котором происходит эта ос­тановка называется осмотическим.

Пожалуй, стоит сказать, что явле­ние осмоса лежит в основе обмена ве­ществ всех живых организмов. Благода­ря ему в каждую живую клетку поступа­ют питательные вещества и, наоборот, выводятся продукты жизнедеятельнос­ти. Этот природный процесс играет зна­чительную роль в растительных и жи­вотных организмах.

Итак, вернемся к нашему экспери­менту. При дальнейшем увеличении давления на рассол можно поменять направление процесса. В этом случае через мембрану преимущественно бу­дет транспортироваться растворитель, т.е. вода. И именно это явление послу­жило основой обратноосмотического метода опреснения воды.

Механизм работы полупроницае­мых мембран. Для объяснения механиз­ма работы обратноосмотических мембран было выдвинуто несколько гипотез. Со­гласно так называемой гипотезе гипер­фильтрации в мембране существуют поры, пропускающие молекулы воды, и при этом ничтожно малые, чтобы пропус­кать через себя ионы растворенных в воде солей. Предложенная модель позволила объяснить многие закономерности в ра­боте обратноосмотических систем. Позже была предложена модель сорбционного механизма избиратель­ной проницаемости, согласно которой на поверхности мембраны, т.е. на повер­хности раздела сред, образуется слой связанной воды, обладающей понижен­ной растворяющей способностью. Такой же слой образуется и внутри поры. При фильтрации происходит вытеснение этой воды, при котором вытесненные молекулы заменяются только молекула­ми воды. И так слой за слоем. Согласно другой теории, в структу­ре мембраны вода может находиться в связанном и капиллярном состояниях. Под действием давления через такую мембрану переносится преимуществен­но пресная вода, непрерывно образуя и разрывая водородные связи.

Особенности метода обратно-осмотической очистки воды. В сис­темах обратного осмоса давление вход­ной воды на мембрану соответствует давлению воды в трубопроводе. Важно, что чем выше давление на входе, тем лучше происходит процесс очистки. Это не только увеличивает производитель­ность мембраны, но и улучшает каче­ство очистки. И наоборот, если давле­ние в водопроводной системе низкое, мембрана работать не будет. Поэтому некоторые модели обратноосмотичес­ких систем комплектуются специальным насосом для повышения входного дав­ления. Такие системы стоят несколько дороже, но только они способны рабо­тать при давлениях ниже 4,2 атмосфе­ры (именно такое давление считается пороговым для обратноосмотических мембран). В процессе очистки концентрация солей со стороны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвраще­ния этого вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смываю­щий "рассол" в дренаж. Неорганические вещества очень хорошо отделяются обратноосмотичес-кой мембраной. Степень очистки по большинству неорганических элементов составляет от 85 до 98% в зависимости от типа применяемой мембраны. Обратноосмотическая мембрана так­же удаляет из воды и органические веще­ства. Органика с молекулярной массой более 300 удаляется полностью, а с мень­шей - может проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бакте­рий практически полностью исключает вероятность их проникновения через мембрану. В то же время мембрана про­пускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она не требует дополнительного кипячения. Вода, прошедшая обработку на обратноосмотической установке, может ус­пешно применяться для решения следу­ющих домашних задач: питьевых нужд, приготовления пищи и напитков, полива растений, аквариумов, систем централь­ного отопления и даже приготовления электролита аккумуляторных батарей.

Хочется также сказать что мы час­то пьем воду, очищенную обратноосмо-тическим методом, даже и не подозре­вая об этом. Это происходит потому, что данный метод используется не только в бытовых, но и в промышленных систе­мах. Так производится качественная вода для ликеро-водочной, молочной промышленности, производства безал­когольных напитков и продуктов пита­ния. В общем - везде, где требуется вода высокого качества. Некоторые компании даже наладили продажу этой чистой воды в бутылированном виде. И в этой ситуации именно бытовые обратноосмотические системы позволя­ют не покупать бутыли, а делать такую же воду самостоятельно.

Существует и очень важный эконо­мический аспект, который тоже стоит принимать во внимание: В среднем человек потребляет в пищу за сутки около 3 литров воды. Если вода также используется для приготовления пищи, то нужно исходить из потребностей в 5 литров на каждого члена семьи. Если покупать питьевую воду в бутылирован­ном виде, то одна бутыль (5 литров) стоит примерно 1 доллар США. То есть 365 дол­ларов на члена семьи в год. В то же время обратноосмотическая система стоит от 350 долларов США. Таким образом, ее ис­пользование окупается уже за первый год эксплуатации. Если семья состоит из трех человек, то окупаемость составит всего 4 месяца. Задумайтесь над этим, прежде чем идти в магазин за очередным бутылем воды.