Многостадийный способ обеззараживания питьевой воды

 

Изобретение относится к многостадийным методам обработки воды с применением окислителей, ультрафиолетового (УФ) облучения и введения химических реагентов и может быть использовано для очистки и обеззараживания питьевой воды. Способ обеззараживания питьевой воды осуществляют в три стадии, при этом на первой стадии вводят 1-3 мг/л пероксида водорода, на второй стадии воду со скоростью 0,2-0,5 м³/ч пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м², а затем на третьей стадии в обрабатываемую воду при помощи дозатора вводят предварительно приготовленный в отдельной емкости 0,1-1,0%-ный раствор Ag₂SO₄ или AgNO₃ с добавленным в него при перемешивании газообразным аммиаком или аммиачной водой до достижения массового соотношения Ag⁺:NН₃, равного 2,8-3,0, причем дозирование осуществляют до достижения в воде концентрации серебра, равной 0,001-0,005 мг/л. Технический результат - расширение арсенала эффективных средств обеззараживания питьевой воды и создание надежного в эксплуатации, экологически чистого способа, обеспечивающего возможность предотвращения ее вторичного бактериального заражения в течение длительного времени. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к многостадийным методам обработки воды с применением ультрафиолетового (УФ) облучения и химических реагентов и может быть использовано для очистки и обеззараживания питьевой воды.

Известен способ, сочетающий хлорирование воды с обработкой ионами меди, серебра или цинка (US 5858246, С 02 F 1/50, 1999).

Однако он эффективен лишь тогда, когда концентрация ионов тяжелых металлов превосходит их ПДК в воде.

Другой известный способ очистки и обеззараживания природных вод включает их механическую обработку в две стадии, импульсное ультрафиолетовое (УФ) облучение сплошного спектра, опреснение при помощи обратного осмоса, пропускание через углеволокнистый сорбент и повторное УФ облучение сплошного спектра (RU 2033976, 1995).

Этот способ является очень сложным и дорогостоящим.

Способ получения питьевой воды из сильно зараженных, в том числе бактериологически, источников водоснабжения включает первую стадию грубой, а затем тонкой механической фильтрации, вторую стадию удаления токсичных анионов и катионов при помощи ионообменных смол, третью стадию очистки на активированном угле, четвертую стадию стерилизации с использованием УФ-излучения и заключительную стадию кондиционирования (придания консервирующих свойств) путем пропускания воды через покрытый серебром песок (RO 116545, 30.03.2001).

Его недостатки: сложность и большая продолжительность осуществления, высокая стоимость, а также необходимость периодического проведения регенерации ионообменных смол и обработки песка серебром.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является известный из книги М.А. Шевченко и др. Окислители в технологии водообработки. Киев: Наукова думка, 1979, с. 50-51 способ обеззараживания воды путем одновременного введения 3-100 мг/л пероксида водорода и 0,05 мг/л соли серебра.

Недостаток этого метода заключается в использовании для удаления вирусов и спор достаточно больших концентраций реагентов, особенно пероксида водорода, что не всегда допустимо, поскольку может привести к тому, что остаточная концентрация пероксида водорода после завершения процесса будет превышать ПДК этого соединения в воде (0,1 мг/л).

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось расширение арсенала эффективных средств обеззараживания питьевой воды и создание надежного в эксплуатации, экологически чистого способа, обеспечивающего возможность предотвращения ее вторичного бактериального заражения в течение длительного времени.

Поставленная задача решается тем, что способ обеззараживания питьевой воды осуществляют в три стадии, при этом на первой стадии вводят 1-3 мг/л пероксида водорода, на второй стадии воду со скоростью 0,2-0,5 м³/ч пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м², а затем на третьей стадии в обрабатываемую воду при помощи дозатора вводят предварительно приготовленный в отдельной емкости 0,1-1,0%-ный раствор Ag₂SO₄ или AgNO₃ с добавленным в него при перемешивании газообразным аммиаком или аммиачной водой до достижения массового соотношения Аg⁺: NН₃, равного 2,8-3,0, причем дозирование осуществляют до достижения в воде концентрации серебра, равной 0,001-0,005 мг/л.

Предпочтительно для приготовления раствора аммиачного комплексного соединения серебра используют 0,1%-ный раствор Ag₂SO₄ или 0,2%-ный раствор AgNO₃.

Сочетание окисления воды пероксидом водорода, ее УФ обработки и введения комплексных ионов серебра обеспечивает эффективную очистку и практически полное обеззараживание воды.

Совместная обработка воды пероксидом водорода и ультрафиолетом на несколько порядков (по сравнению с использованием только пероксида или только ультрафиолета) увеличивает скорость реакции окисления и разложения органических примесей, бактерий, вирусов и грибков. Эффект еще заметнее в присутствии ионов серебра. Ионы серебра не только сами обладают бактерицидными свойствами, но и являются катализаторами процесса окисления примесей пероксидом водорода. Кроме того, они способствуют удалению избытка пероксида водорода после окончания процесса обеззараживания воды.

Введение аммиака в растворы солей серебра повышает их растворимость за счет образования комплексных соединений Аg(NН₃)₂NО₃ или [Ag(NН₃)₂]₂SO₄. Предложенное массовое соотношение между ионами серебра и аммиаком соответствует приблизительно 3-5%-ному избытку аммиака относительно стехиометрии и необходимо для получения максимально стабильного соединения. Указанный диапазон концентрации растворов солей серебра, используемых для приготовления комплексов, является оптимальным для хранения этих реагентов. Аммиачные комплексы серебра обладают высокой бактерицидной активностью при концентрации ионов Ag⁺ даже ниже, чем их ПДК в воде. Восстановление комплексов происходит медленнее, чем Ag⁺, следовательно максимальный бактерицидный эффект проявляется в течение большего промежутка времени. Наличие в воде таких анионов, как Сl^-, в присутствии комплексных соединений серебра не приводит к выпадению нерастворимого AgCl.

Синергетический эффект при использовании предложенного многостадийного метода обеззараживания воды связан также с тем, что в сильно окисленной среде возникают условия для перехода Аg⁺ в Аg²⁺. Образовавшиеся катионы Аg²⁺, обладая повышенной индивидуальной окислительной способностью, характеризуются и повышенными (по сравнению с Аg⁺) бактерицидными свойствами. При этом даже после обратного перехода Аg²⁺ в более стабильное состояние (Аg⁺) устойчивость обработанной воды ко вторичному бактериальному загрязнению сохраняется.

Использование импульсных ксеноновых ламп сплошного спектра, предпочтительно излучающих в области 200-400 нм ультрафиолетового спектра, включающей бактерицидный участок и участок, соответствующий условиям деструкции органических соединений, позволяет получить высокий обеззараживающий и очищающий эффект, снижает время обработки и обеспечивает экологическую чистоту, поскольку замена ртутных ламп на ксеноновые исключает возможность заражения воды ртутью при разрушении лампы.

Предложенные параметры процесса и концентрации реагентов являются оптимальными для данной схемы обработки воды.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

Исходную воду обрабатывали коагулянтом - сернокислым алюминием в количестве 8 мг/л (в пересчете на Аl₂О₃) и фильтровали через песчаный фильтр. Вода имела следующие показатели: температура 18^oС, рН 7,0, содержание взвешенных веществ 0,56 мг/л, цветность 28 град, окисляемость перманганатная 25 мг/л O₂, коли-индекс 7. Затем в воду вводили пероксид водорода в количестве 2 мг/л. Полученную воду выдерживали в течение 1 ч, после чего она имела следующие показатели: рН 7,2, содержание взвешенных веществ 0,48 мг/л, цветность 20 град, щелочность 0,42 мг-экв/л, окисляемость перманганатная 17 мг/л O₂, коли-индекс 5,5.

После этого воду пропускали со скоростью 5 л/мин (0,3 м³/ч) через установку Уф обработки, содержащую установленные в слое воды импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно излучающие в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 1 Гц, плотности потока 1 кВт/см² и удельных энергозатратах 1 Дж/см³ воды. Показатели полученной воды: температура 22^oС, содержание взвешенных веществ 0,37 мг/л, цветность 13 град, окисляемость перманганатная 13 мг/л O₂, коли-индекс 2,0.

В отдельной емкости готовили 10 л раствора, подавая при помощи дозаторов 20 г АgNО₃ и воду. Полученный 0,2%-ный раствор АgNО₃ смешивали с 4,2 г газообразного аммиака, который вводили из баллона. При этом массовое соотношение Аg⁺: NН₃ в приготовленном растворе составляло соответственно 3:1. Приготовленный аммиачный комплекс серебра вводили в обработанную по вышеуказанной схеме воду до достижения концентрации серебра 0,005 мг/л и выдерживали в течение 48 ч, а затем определили ее параметры: содержание взвешенных веществ 0,30 мг/л, цветность 10 град, окисляемость перманганатная 12 мг/л O₂, коли-индекс 1,0.

После этого воду подвергали повторному бактериологическому заражению культурой E.coli 1257 в количестве 10² кл/мл и через 24 ч проводили бактериологический анализ воды. Коли-индекс был равен 1,0. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовали. Эффект сохранялся в течение 3 мес. Для сравнения аналогичным образом повторно заражали воду, прошедшую все стадии обработки, кроме последней (ионами серебра). По прошествии 24 ч количество E.coli 1257 составляло 210² кл/мл.

Пример 2.

Для исследований использовали воду, некоторые показатели качества которой представлены в таблице. Воду хранили в герметичной, предварительно продезинфицированной посуде при температуре 20^oС. В испытываемую порцию воды вводили культуры различных микроорганизмов и обеззараживали аналогично примеру 1, за исключением следующего. Концентрация пероксида водорода составляла 3 мг/л, скорость течения воды через установку УФ обработки составляла 0,5 м³/ч, частота импульсов ксеноновой лампы сплошного спектра - 1,3 Гц, плотность потока - 2 кВт/см² и удельные энергозатраты - 2 Дж/см³. В качестве дезинфектанта использовали раствор аммиачного комплекса АgSO₄4NН₃, приготовленный путем смешения в отдельной емкости 0,8%-ного раствора АgSO₄ и аммиачной воды до достижения массового соотношения Аg⁺:NН₃, равного 2,8, т.е. при избытке аммиака около 5% относительно стехиометрии. Опыты по обеззараживанию проводили при концентрации серебра в растворе 0,005 мг/л и температуре 20^oС.

Результаты испытаний с использованием свежеприготовленного раствора показаны в таблице.

Как видно из полученных данных, предложенный способ позволяет полностью обеззаразить сильно загрязненную воду.

При использовании раствора дезинфектанта после 30 сут хранения в герметично закрытой посуде из темного стекла его бактерицидные свойства практически не изменились.

Для сравнения изучали бактерицидные свойства раствора Ag₂SO₄ (без аммиака). Снижение бактерицидной активности раствора Аg₂SO₄ происходит быстрее, чем раствора [Аg(NН₃)₂] ₂SO₄, при этом последний даже через 50 сут теряет всего лишь треть своей активности, что свидетельствует о стабилизирующей роли аммиака. Кроме того, обнаружено, что растворимость соли серебра в аммиачной воде повышается по сравнению с чистой водой. Это обстоятельство может быть использовано для приготовления более концентрированных растворов дезинфектанта и снижения габаритов расходных емкостей на станциях очистки воды.

Таким образом, предложенный способ обеззараживания воды является эффективным, относительно простым и доступным. Наиболее целесообразно его использовать для обработки воды в условиях, когда велика опасность вторичного загрязнения долго хранящейся воды. Высокая бактерицидная активность стабилизированного аммиаком раствора сульфата или нитрата серебра, сохраняемая в течение длительного времени (десятки суток), позволяет делать запасы этого дезинфектанта, в частности, для обеспечения возможности их использования в аварийных ситуациях, например, при выходе из строя основного узла обеззараживания или при попадании в воду значительного количества патогенной микрофлоры.

Формула изобретения

1. Способ обеззараживания питьевой воды, включающий введение пероксида водорода и соединения серебра, отличающийся тем, что способ осуществляют в три стадии, при этом на первой стадии вводят 1-3 мг/л пероксида водорода, на второй стадии воду со скоростью 0,2-0,5 м³/ч пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-излучение длиной волны 200-400 нм, при частоте 1-1,3 Гц, удельных энергозатратах 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м², а затем на третьей стадии в обрабатываемую воду при помощи дозатора вводят предварительно приготовленный в отдельной емкости 0,1-1,0%-ный раствор Ag₂SO₄ или AgNO₃ с добавленным в него при перемешивании газообразным аммиаком или аммиачной водой при массовом соотношении Аg⁺:NН₃, равном 2,8-3,0, при этом дозирование осуществляют до достижения в воде концентрации серебра, равной 0,001-0,005 мг/л.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для приготовления раствора аммиачного комплексного соединения серебра используют 0,1%-ный раствор Ag₂SO₄ или 0,2%-ный раствор AgNO₃.

РИСУНКИ

Рисунок 1