Технологические, экологические и экономические аспекты применения хлордиоксидной технологии обработки воды
Мировой опыт применения диоксида хлора и многочисленные исследования подтверждают эффективность применения диоксида хлора при подготовке и дезинфекции питьевых, производственных и сточных вод, его экономичность и надежность, санитарно-гигиенические преимущества по сравнению с хлорированием. Как показывают наши исследования и практический опыт, при условии обоснованного подбора технологических приемов обработки воды использование диоксида хлора в качестве альтернативы жидкому хлору оправдано не только технологически, но и экономически.
Мировой опыт применения диоксида хлора и многочисленные исследования подтверждают эффективность применения диоксида хлора при подготовке и дезинфекции питьевых, производственных и сточных вод, его экономичность и надежность, санитарно-гигиенические преимущества по сравнению с хлорированием.
В технологии водоподготовки обеззараживание воды является одной из основных стадий. От эффективности и безопасности технологии обеззараживания воды, применяемой на водоочистных станциях, зависит здоровье и санитарно-эпидемиологическое благополучие населения.
Известно, что подавляющее большинство водоочистных сооружений традиционно используют для обеззараживания воды жидкий хлор. До последнего времени хлорирование было едва ли не единственным методом обеззараживания воды на крупных водоочистных сооружениях, обеспечивающим стойкий и достаточно длительный эффект обеззараживания. Однако несколько десятилетий назад ученые задумались над тем, что хлор может вступать в реакцию с веществами, содержащимися в воде, и образовывать новые соединения, которые, как впоследствии оказалось, зачастую являются более опасными для человеческого организма.
Предлагаемый многими переход к обеззараживанию водопроводной воды озоном или ультрафиолетом не может полноценно заменить хлорирование, т.к. данные способы обеззараживания не обладают необходимым временем последействия и не могут использоваться при обеззараживании водопроводной воды, транспортируемой по протяженным разводящим сетям (таблица 1).
Таким образом, в России налицо существует актуальная проблема: с одной стороны, использование жидкого хлора для обеззараживания воды ведет к образованию опасных концентраций вредных хлорорганических загрязнений, с другой стороны, без хлорирования воды невозможно обеспечение санитарно-эпидемиологического благополучия населения. Кроме того, зачастую невозможность использования жидкого хлора на водопроводных станциях обусловлена еще и причинами обеспечения безопасности населения.
Не секрет, что в России на сегодня станции подготовки воды, использующие жидкий хлор, часто располагаются в непосредственной близости от жилых и производственных зданий, что создает реальную угрозу безопасности населения в случае возникновения аварийных ситуаций, связанных с утечкой хлора.
Альтернативой жидкому хлору является диоксид хлора, который уже десятки лет применяется в Европе, США и Южной Африке. Хотя в названии диоксида хлора присутствует слово «хлор», его химический состав и способ работы радикально отличаются от хлора.
Диоксид хлора - это продукт взаимодействия соединений хлора, в котором он находится в восстановленной форме, небольшая летучая и стабильная молекула, состоящая из одного атома хлора и двух атомов кислорода (ClO2). В последнее время его использование увеличивается. Диоксид хлора обладает селективной реакционной способностью, что делает его применение предпочтительным перед другими окислителями в тех случаях, когда хлор и другие реагенты не могут быть использованы. В отличие от хлора диоксид хлора не гидролизуется в воде, его активность не зависит от значения рН, и он применим в широком диапазоне рН. Это чрезвычайно эффективный бактерицид, который не уступает хлору или даже превосходит его при соответствующей дозировке. При использовании диоксида хлора при окислении органических загрязнителей образуется меньше хлорорганических соединений, чем при обработке воды хлором или гипохлоритом натрия. Это свойство во многих случаях делает использование диоксида хлора предпочтительным, например, при обеззараживании питьевой воды, охлаждающей воды в микробиологической промышленности, при производстве бумаги.
На рис 1. показана разница между интенсивностью дезинфицирующих свойств диоксида хлора (CIO2) и хлора (Cl2) / гипохлорита в зависимости от показателя рН. Окислительная способность диоксида хлора гораздо в меньшей степени зависит от рН, а в особенности в щелочной области. Окислительная активность хлора высока только в кислой среде и значительно падает в щелочной области. Другим важным преимуществом диоксида хлора является то, что при малых дозах (около 0,5 мг/л) обработанная им вода не имеет ни вкуса, ни запаха. По имеющимся на сегодняшний день данным, диоксид хлора обладает окислительным потенциалом до 2,5 раз большим, чем хлор.
Одной из первых систем водоснабжения, успешно использующих диоксид хлора, была введенная в эксплуатацию в США в 1944 году система «Ниагара Фоллз». В 1958 году уже 150 водных систем в США применяли диоксид хлора. В Германии его используют с 1959 года. С 1995 года диоксид хлора применяется на Украине (гг. Ильичевск, Южный, Килия и др.). В настоящее время диоксидом хлора обрабатывают питьевую воду на сотнях станций мира, в том числе в большинстве крупных городов Европы и Северной Америки. Мировой опыт применения диоксида хлора и многочисленные исследования показали его эффективность при подготовке и дезинфекции питьевых, производственных и сточных вод, экономичность и надежность, а также неоспоримые санитарно-гигиенические преимущества по сравнению с хлорированием.
С 2002 года диоксид хлора применяется и в России, когда в системе централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения г. Нижнего Тагила (Верхне-Выйский гидроузел, 95 тыс. м3/сут.) была внедрена технология обеззараживания питьевой воды диоксидом хлора. Уже первые результаты подтвердили высокую бактерицидную активность и долго сохраняющийся бактериостатический эффект нового реагента. Длительный бактерицидный эффект, обеспечиваемый диоксидом хлора, предотвращает вторичное загрязнение воды в сетях, обусловленное жизнедеятельностью микроорганизмов, и позволяет доставлять воду до потребителей с тем же качеством, с каким она вышла после станции водоподготовки.
В настоящее время установлено, что диоксид хлора обладает следующими технологическими преимуществами:
- сильное дезинфицирующее воздействие - необходимые дозы очень малы (0,1-0,3 мг/л);
- не образуются тригалометаны (ТГМ) и хлорфенолы;
- практически не образуются неудаляемые органические галогены (НОГ);
- не происходит реакция с аминами и другими соединениями азота;
- сильное дезинфицирующее действие практически не зависит от значения рН воды;
- сильное воздействие на споры, вирусы и водоросли;
- практически не влияет, а зачастую улучшает органолептические свойства обработанной воды;
- эффективное окисление соединений железа (II) и марганца (II);
- улучшение коагулируемости загрязнений при обработке сырой воды;
- долго сохраняющийся бактериостатический эффект (до 7 сут.) в водораспределительных системах и, как следствие, удаление микробиологических отложений в них.
Все эти преимущества при определенных условиях позволяют успешно использовать диоксид хлора не только в целях обеззараживания воды, но и заменить ее первичное хлорирование на обработку воды диоксидом хлора, полностью отказавшись от использования жидкого хлора на фильтровальных станциях. Поэтому неслучайно, что интерес к этой передовой технологии со стороны водоканалов в последние годы неуклонно растет.
Однако применение диоксида хлора наряду с финансовыми затруднениями во многом сдерживалось отсутствием практического опыта внедрения и необходимого нормативного обеспечения. На сегодня такой опыт появился. На основании опытно-промышленных испытаний системы обеззараживания диоксидом хлора питьевой воды Верхне-Выйского гидроузла г. Нижнего Тагила получено разрешение на постоянную эксплуатацию станции обеззараживания воды диоксидом хлора с подачей воды в разводящую сеть города. На сегодняшний день завершены лабораторные испытания, проектные работы и введены в эксплуатацию системы обработки воды диоксидом хлора СОРВ г. Ульяновска, ВОС Чепецкого механического завода, водоканала г. Глазов, водоканала г. Богданович, водоканала г. Екатеринбург, завода «Балтика» (г. Санкт-Петербург). В результате исследований на самых различных типах поверхностных и подземных вод были получены данные, позволяющие использовать диоксид хлора не только для обеззараживания очищенной воды, но и заменить первичное хлорирование жидким хлором. Это дает возможность полностью отказаться от использования жидкого хлора на водопроводных станциях, повысить эффективность удаления железа и марганца, существенно улучшить санитарное состояние разводящих сетей и самих сооружений.
По результатам исследований для обеззараживания питьевой воды необходимы очень малые дозы диоксида хлора, в большинстве случаев достаточно ввести до 0,2 мг Сl2 на литр воды.
Основной технологической задачей при обработке природных вод диоксидом хлора является недопущение превышения содержания образующегося при введении диоксида хлора хлорит-иона выше предельно допустимых концентраций (ПДК). Всемирной организацией здравоохранения и санитарным законодательством России установлена ПДК содержания хлоритов в питьевой воде 0,2 мг/л. Исследования на воде подземных водоисточников г. Ульяновска (НФС, АГВ) и из поверхностных водоисточников (Куйбышевское водохранилище и р. Чепца), а также опыт эксплуатации станции обеззараживания диоксидом хлора воды Верхне-Выйского гидроузла г. Нижнего Тагила показали, что в случае, если вода по окисляемости, цветности, содержанию железа и марганца соответствует качеству питьевой, введение доз диоксида хлора менее 0,4 мг/л не приводит к образованию хлоритов выше 0,2 мг/л.
При обработке диоксидом хлора неочищенной природной воды с целью замены первичного хлорирования дело обстоит иначе. Использование диоксида хлора в этом случае предполагает принятие дополнительных мер по снижению или устранению образования хлоритов в обрабатываемой воде.
За рубежом при первичной обработке воды диоксидом хлора наибольшее распространение получили методы удаления хлоритов сорбцией на активированных углях (фильтрация через угольные фильтры или углевание). Несмотря на то, что необходимые дозы активированного угля при углевании невелики (0,5-1,2 г/м3), высокая стоимость сдерживает его применение в условиях отечественной водоподготовки, поэтому углевание может быть рекомендовано только как средство периодического использования в случае резкого ухудшения качества воды в водоисточнике.
В ходе исследований отработаны технологические приемы, которые, в зависимости от качества исходной воды, могут в значительной степени снизить образование хлоритов при ее первичной обработке диоксидом хлора, сохранив при этом выше перечисленные технологические преимущества его применения.
Исходная вода в р. Чепца характеризуется невысокой цветностью, мутностью и окисляемостью, резко повышающимися в паводковый период, и высоким значением рН (до 8,5-8,7). Первичное хлорирование воды на этой станции применяется в связи с тем, что без использования предварительного окисления вода имеет низкую коагулируемость. В результате использования первичного хлорирования фиксируются превышения по содержанию хлорорганических соединений. При лабораторных исследованиях по применению диоксида хлора для обработки воды р. Чепца, предприятием отработана технология первичного введения диоксида хлора с дозой до 0,6 мг/л с последующим введением перед фильтрацией небольших количеств (до 0,5 мг/л в пересчете на активный хлор) гипохлорита натрия для снижения содержания хлоритов до нормативных значений. В условиях слабощелочной среды хлорит ионы переводятся обратно в диоксид хлора и хлориты, что позволяет предотвратить повышение их содержания выше ПДК и сократить расходы диоксида хлора на вторичное введение при обеззараживании воды. Введение гипохлорита натрия оказывает минимальное влияние на образование хлорорганических соединений, так как он вводится в уже обработанную коагулянтом воду и его дозы в 5- 7 раз ниже применяемых при существующей технологии хлорирования. В таблице 2 представлены результаты образования хлорорганических соединений при хлорировании воды р. Чепца по существующей схеме в сравнении с обработкой воды диоксидом хлора.
Вода Куйбышевского водохранилища в отличие от воды р. Чепца без предварительного окисления обладает лучшей коагулируемостью, хотя и имеет в среднем более высокую цветность, мутность и окисляемость. Так как рН воды Куйбышевского водохранилища значительно ниже, чем в р. Чепца (7,5 против 8,5), перевод хлоритов в диоксид хлора путем введения гипохлорит иона в этих условиях менее предпочтителен. Поэтому основным способом снижения содержания хлоритов после обработки воды диоксидом хлора было выбрано введение сернокислого железа (II) совместно с алюминийсодержащим коагулянтом. Хлорит-ионы вступают в реакцию с ионами железа (II) с образованием хлоридов и окислением железа до трехвалентного состояния.
Результаты исследований по образованию и удалению хлоритов при введении диоксида хлора в необработанную воду с дозой 1,0 мг/л представлены в таблице 3.
Из представленных результатов следует:
- около 60% диоксида хлора при введении его в необработанную воду переходит в хлораты и хлориты;
- с течением времени содержание хлорит-иона в воде не снижается, вследствие чего требуется проводить специальную обработку воды с целью снижения содержания хлоритов до ПДК (0,2 мг/дм3);
- дозирование сернокислого железа (II) уже при дозе 0,4 мг/л приводит к снижению содержания хлоритов ниже уровня ПДК.
Дальнейшее повышение дозы нецелесообразно, т.к. это ведет к увеличению остаточного Fe2+, которое содержится в воде в виде истинно растворенных соединений и не задерживается фильтрами.
Нами проведены исследования процессов образования и удаления хлоритов при обеззараживании диоксидом хлора уже очищенной воды Куйбышеского водохранилища. Результаты исследований представлены в таблице 4.
На основании полученных результатов можно сделать следующие заключения:
- введение диоксида хлора в очищенную воду с дозой 0,4 мг/л не приводит к образованию хлоритов в концентрациях превышающих предельно допустимую (0,2 мг/л), введение дополнительных реагентов для снижения содержания хлорит-ионов не требуется;
- при хранении воды содержание хлорит ионов снижается до значений ниже чувствительности метода измерений.
Коммунальные системы водоснабжения часто используют воду с нескольких водозаборов. Поэтому при внедрении системы обработки воды диоксидом хлора на одном из водозаборов встает вопрос о совместимости воды, обработанной диоксидом хлора с хлорированной водой. Для выяснения влияния остаточного содержания активного хлора в воде при смешении ее с водой, содержащей диоксид хлора на образование хлоритов, были проведены модельные испытания на воде Куйбышевского водохранилища. Результаты исследований представлены в таблице 5.
Проанализировав результаты исследований, можно сделать вывод: наличие в очищенной воде остаточных концентраций хлора в диапазоне от 0,2 до 0,8 мг/л при обработке диоксидом хлора дозой 0,4 мг/л не приводит к образованию хлоритов выше ПДК. Полученные результаты показывают, что использование диоксида хлора наряду с собственным положительным эффектом полностью совместимо с традиционным хлорированием воды. Это позволяет безболезненно и в короткие сроки внедрять технологию на большинстве действующих водопроводных станций.
Смешение в разводящих сетях воды, обработанной диоксидом хлора, с водой, содержащей марганец (II), также может привести к повышению содержания хлоритов. С целью оценки возможного ухудшения качества питьевой воды, обработанной диоксидом хлора при смешении ее в разводящих сетях с водой других водозаборов, отличающейся повышенным содержанием марганца, было проведено специальное исследование, результаты которого приведены в таблице 6.
На основании полученных данных можно заключить:
- при смешении воды, обработанной диоксидом хлора с водой, содержащей марганец (II), происходит снижение содержания хлоритов пропорциональное доле смешиваемой воды;
- вода, обработанная диоксидом хлора, не оказывает заметного влияния на окисляемость, содержание железа и марганца.
Исследования процессов образования хлорорганических соединений при обработке диоксидом хлора воды Куйбышеского водохранилища взамен первичного хлорирования подтвердили ранее полученные результаты обработки воды р. Чепца. Кроме этого, для проверки возможности замены первичного хлорирования воды обработкой ее гипохлоритом натрия были изучены процессы образования хлорорганических соединений при дробном введении в необработанную воду гипохлорита натрия с последующим обеззараживанием очищенной воды диоксидом хлора. Проведенные исследования дали удовлетворительные результаты по образованию хлорорганических соединений (таблица 7).
Как видно из представленных в таблице данных, дробное введение гипохлорита натрия при первичной обработке воды с последующим обеззараживанием диоксидом хлора с точки зрения образования хлорорганических соединений может быть альтернативным методом обработки воды в случаях, когда использование схемы с полным переходом на диоксид хлора является экономически нецелесообразным.
Кроме технологических аспектов применения диоксида хлора также проработаны экономические и чисто технические аспекты. Так как диоксид хлора относится к реагентам, получаемым на месте использования, очень многое зависит от степени надежности и безопасности установок по его производству.
Всесторонне и глубоко изучив мировой рынок производителей техники для обработки воды диоксидом хлора, мы выбрали оптимальный (по соотношению цена/качество) вариант оборудования - установки Bello Zon® производства ProMinent Dosiertechnik.
Многих пугает взрывоопасность смеси газообразного диоксида хлора с воздухом - такая возможность действительно существует при достижении содержания диоксида хлора в воздухе более 8% по объему. Однако ни на одном этапе выработки и введения диоксида хлора в воду с помощью установок Bello Zon® диоксид хлора не присутствует в газообразной форме, а только в виде водного раствора безопасной концентрации. Эти установки мгновенно приостанавливают выработку диоксида хлора, как только прекращается проток обрабатываемой воды или исходных реагентов. Для сравнения можно привести пример: взрывоопасная концентрация водорода в воздухе в два раза ниже, тем не менее, это не мешает широко использовать водород в технике. Для обработки воды в объеме от 2 до 2000 м3/час. требуется от 20 до 50 Вт/час. Расходные нормы реагентов для получения 1 кг диоксида хлора следующие: хлорит натрия 25% - 6,67 л, соляная кислота 30-33% - 6,67 л, разбавляющая вода - 66,7 л. Как показал опыт проектирования, существующие типовые хлораторные с расходным складом хлора имеют достаточный объем и площади для размещения установок и складов исходных реагентов.
Основным экономическим фактором, сдерживающим распространение хлордиоксидной технологии, считается высокая стоимость одного из компонентов для получения диоксида хлора - хлорита натрия, который поставляется из-за рубежа. Однако следует обратить внимание, что необходимая для обеззараживания воды доза диоксида хлора в 10-12 раз меньше дозы жидкого хлора. Поэтому даже при использовании импортного хлорита натрия, величина эксплуатационных затрат на обеззараживание воды диоксидом хлора сопоставима с затратами на традиционное хлорирование с использованием жидкого хлора. Например, при полном переводе сооружений водоочистной станции ОАО «Чепецкий механический завод» на диоксид хлора расчетное увеличение эксплуатационных затрат на реагенты повышает себестоимость воды на 8% (технико-экономические показатели обоснования инвестиций в реконструкцию).
Выводы:
1. Применение диоксида хлора в концентрациях 0,2-0,4 мг/дм3 для обеззараживания питьевой воды обеспечивает эпидемическую безопасность питьевой воды не только по индикаторным микроорганизмам, но и по вирусологическим. Обработка воды диоксидом хлора приводит к снижению мутагенной активности воды, улучшению органолептических показателей, снижению концентрации некоторых химических соедине- ний (хлороформа, нитритов, значения перманганатной окисляемости).
2. Метод получения диоксида хлора, основанный на взаимодействии хлорита натрия с соляной кислотой, не приводит к дополнительному загрязнению питьевой воды побочными продуктами (гипохлорит-, хлорит- и хлорат-анионами).
3. Применяемые для обработки воды дозы диоксида хлора 0,2-0,4 мг/дм3 (0,4 мг/дм3 используется при ухудшении санитарно-бактериологических показателей воды, поступающей от станций) не вызывают образование побочных продуктов в концентрациях, превышающих допустимые (хлоритов не более 0,2 мг/дм3 и хлоратов не более 20 мг/дм3).
4. Широкое внедрение хлордиоксидной технологии неизбежно приведет к появлению отечественных производителей хлорита натрия и снижению цен на него. Возможности для этого есть. В настоящее время ведутся подготовительные работы для открытия производства хлорита натрия на одном из химических заводов Урала.
Журнал «Вода Magazine», №6 (70), 2013 г.
