2.1 Хлорирование

Хлорирование является методом многоцелевой обработ­ки воды: дезинфекция, обесцвечивание, дезодорация, устранение сероводорода, железа.

Хлорирование – процесс обеззараживания воды с применением хлорсодержащих агентов, которые вступают в реакцию с водой или растворенными в ней солями. Вслед­ствие взаимодействия хлорсодержащих агентов с протеинами и аминосоединениями, содержащимися в оболочке бактерий и их внутриклеточном веществе, происходят окислительные процессы, химические изменения внутриклеточного вещества, распад структуры клеток и гибель бактерий и других микроорганизмов.

Сильным окислительным и дезинфицирующим действием обладают следующие соединения хлора: свободный хлор (Cl₂), гипохлорит-анион (ОС1^-), хлорноватистая кислота (НОС1), хлорамины (вещества, при растворении в воде которых образует­ся монохлорамин NH₂Cl, дихлорамин NHCl₂, трихлорамин NCl₃).Суммарное со­держание этих соединений называют термином «активный хлор».

Содержащие активный хлор вещества подразделяются на две группы: сильные окислители – хлор, гипохлориты натрия и кальция и хлорноватистая кислота – содер­жат так называемый «свободный активный хлор», и относительно менее сильные окислители – хлорамины – «связанный активный хлор». Благодаря сильным окис­лительным свойствам соединения, имеющие активный хлор используют для дезинфек­ции питьевой воды и воды в бассейнах, а также для химической очистки некоторых сточных вод.

Наиболее широкое распространение в качестве сильного окислителя и обеззараживающего агента получил молекулярный хлор и его модификации (гипохлориты на­трия и кальция, хлористый аммоний).

Для станций большой производительности используют хлор-газ, который доставляется и хранится в сжиженном состоянии в стандартных стальных баллонах вместимостью от 25 до 69 кг. Для дозирования в воду хлора используют специальные аппараты – хлораторы. Свободный хлор при растворении в воде диспропорционирует с образованием соляной и хлорноватистой кислот по реакции:

Cl₂ + H₂O ↔ HCl + HOCl

Затем происходит диссоциация хлорноватистой кислоты с образованием гипохлорит–иона:

НОС1 ↔ H⁺+ OCl ^-

Недиссоциированные молекулы хлорноватистой кислоты обладают большим бак­терицидным действием, чем гипохлорит ионы. При величине рН=5–6 хлор присутству­ет в воде главным образом в виде хлорноватистой кислоты. С повышением величины рН концентрация гипохлорит ионов постепенно возрастает, достигая 97% при рН=9.

Если в хлорируемой воде содержится природный аммиак или азотсодержащие органические соединения (например, аминокислоты), то свободный активный хлор вступает с ними в химическое взаимодействие и образует хлорамины и другие хлорпроизводные, так называемый связанный активный хлор.

В схеме осветлительной обработки должно быть предусмотрено двойное хлорирование воды: прехлорирование (до осветления) и постхлорирование (после осветления). Кроме двойного хлорирования различают нормальное хлорирование, суперхлорирование, суперхлорирование с дехлорированием.

Обеззараживание воды хлором или хлорсодержащими препаратами осуществляется такими дозами, чтобы после полного окисления органических веществ в воде ос­тавался избыток хлора, так называемый остаточный хлор. Именно он придает воде антибактериальную стабильность в течение определенного (2–4 часа) времени.

Недостаток хлора может привести к не полному обеззараживанию природных или сточных вод, а избыток – к попаданию в питьевую воду или в водоем свободного хлора. Для удаления избыточного хлора обычно используют реагенты – восстановители (бисульфит, сернистый ангидрид).

При нормальном хлорировании питьевой воды с подачей хлора после фильтрования и перед резервуаром чистой воды дозы составляют 2–3 мг/л для воды поверх­ностных водоисточников и 0.7–1 мг/л для подземных вод. Контроль эффективности дезинфекции ведут по остаточному хлору после 30 минутного контакта воды с дозируемым реагентом. В питьевой воде содержание остаточного хлора установлено на уровне 0.3–0.5 мг/л в свободном виде и на уровне 0.8–1.2 мг/л в связанном виде. Ак­тивный хлор в указанных концентрациях присутствует в воде непродолжительное вре­мя (не более нескольких десятков минут) и нацело удаляется даже при кратковремен­ном кипячении воды.

При хлорировании сточных вод из-за непостоянства их химического состава строгая дозировка хлора затруднена. В природной воде содержание активного хлора не допускается. Доза хлора должна в каждом конкретном случае устанавливаться экспериментально в результате пробного хлорирования.

Методу хлорирования присущи существенные технологические недостатки, в частности недостаточная эффективность в отноше­нии вирусов. После хлорирования очищенных сточных вод при дозах остаточного хло­ра 1.5 мг/л в пробах остается очень высокое содержание вирусных частиц, поэтому да­же хлорированные сточные воды остаются эпидемически опасными в отношении энтеровирусных заболеваний.

Другим серьезным недостатком хлорирования является образование в воде под действием хлора хлорорганических соединений – хлороформа, четыреххлористого углерода, бромдихлорметана, хлорфенола, хлорбензольных и хлорфенилуксусных соединений, хлорированных пиренов и пиридинов, хлораминов и др. По данным многочисленных исследований, известно, что хлорорганические соединения обладают высо­кой токсичностью, мутагенностью и канцерогенностью. Это приводит к возникновению у человека новообразований, болезней мочеполовых путей и т.п. Установлены факты образования в водопроводной воде канцерогенных галоидзамещенных углево­дородов (тригалометанов, хлороформа и др.) в том случае, если хлорируется вода, со­держащая природные и антропогенные органические соединения. Этот факт заставляет развитые страны применять новые, весьма дорогие технологии водоподготовки, ис­ключающие хлорирование.

Бактерицидная активность хлора падает с ростом температуры, что снижа­ет эффективность хлорирования летом. Такая же закономерность, кстати, наблюдается и для озонирования.

Обеззараживающий эффект хлора сильно зависит от рН воды: при рН 7,2 он приблизительно в 6 раз больше, чем при рН 8,5. В щелочной среде, при рН больше 7,8 не только снижается бактерицидное свойство хлора, увеличивается цветность и мут­ность, но и происходит биологическое обрастание труб и фильтров. Поэтому для со­хранения бактерицидного эффекта хлора в воде в этом случае необходимо увеличивать его концентрацию, что помимо нерациональных потерь, приводит к раздражению сли­зистой оболочки глаз и носа. В кислой среде, при рН меньше 6,5 вода становится на­столько агрессивной, что начинается усиленная коррозия трубопроводов и оборудова­ния. В этом случае необходимо подщелачивать воду, т.е. вводить в нее дополнительные реагенты.

Взрывоопасность жидкого хлора может стать причиной аварий, которые спо­собны вызвать чрезвычайные ситуации.

Хлорирование сточных вод приводит к тому, что хлорпроизводные и остаточный хлор, попадая в естественные водоемы, отрицательно воздействуют на различные вод­ные организмы, вызывая у них серьезные физиологические изменения и даже гибель, что приводит к нарушению процессов самоочищения водоемов. Хлорорганические соединения способны аккумулироваться в донных отложениях, тканях гидробионтов и, в конечном счете, они по трофическим цепям попадают в организм человека.

Несмотря на технические сложности при транспортировке, хранении и дозировании хлор-газа, его высокую коррозионную активность, потенциальную опас­ность возникновения чрезвычайных ситуаций процесс хлорирования на городских станциях водоподготовки и водоочистки в настоящее время широко применяется.

Небольшие объемы воды можно хлорировать гипохлоритом натрия или каль­ция. Применение гипохлорита натрия устраняет некоторые, из перечисленных, для хлора недостатки. Согласно многолетним наблюдениям установлено, что применение гипохлоритов для обеззараживания воды в бассейнах практически исключает раз­дражение слизистой оболочки и кожных покровов тела, которое наблюдается при использовании газообразного хлора.

При растворении в воде происходит гидролиз этих соединений с образованием хлорноватистой кислоты:

NaOCL + H₂O = HOCL + NaOH

Так же как и в случае использования газообразного хлора, соотношение недиссоциированной хлорноватистой кислоты и гипохлорит-ионов определяется величиной рН.

Гипохлорит натрия получают, как известно, электролизом раствора обыч­ной поваренной соли. При этом на аноде выделяется хлор, образующий в воде соляную и хлорноватистую кислоты. Хлорноватистая кислота взаимодействует со щелочью у катода с образованием гипохлорита натрия. Стоимость единицы активного хлора в гипохлорите натрия больше, чем в жидком хлоре в 1.78 раза. Электролиз морской воды позволяет получить продукт с концентрацией активного хлора до 3 г/л, более высокие концентрации (до 8 мг/л) могут быть получены при электролизе раствора поваренной соли. Применение электрохимического метода позволяет избежать трудностей, связан­ных с транспортированием и хранением токсичного газообразного хлора.