Способ обеззараживания питьевой воды

 

Изобретение относится к многостадийным методам обработки воды окислением с помощью пероксида водорода, УФ-излучением и ионами тяжелых металлов, в частности серебра и меди. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения городов и других населенных пунктов. Способ обеззараживания воды включает ее обработку пероксидом водорода с последующим введением ионов серебра и меди, полученных при растворении их солей, причем пероксид водорода вводят в воду в количестве 1-3 мг/л, затем воду выдерживают в течение 0,4-2 ч и со скоростью 0,1-0,5 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, после чего в обрабатываемую воду при помощи по крайней мере одного устройства дозирования вводят раствор соли серебра до достижения концентрации ионов Ag⁺ в воде, равной 0,001-0,005 мг/л, а затем добавляют раствор соли меди до достижения концентрации Cu²⁺, равной 0,01-0,2 мг/л. Технический результат - разработка простого, экологически безопасного, эффективного способа обеззараживания воды до питьевого качества с использованием небольших количеств реагентов, обеспечивающих возможность предотвращения вторичного бактериального заражения воды в течение длительного времени (не менее месяца). 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к многостадийным методам обработки воды окислением с помощью пероксида водорода, УФ-излучением и ионами тяжелых металлов, в частности серебра и меди. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения городов и других населенных пунктов, особенно в чрезвычайных ситуациях.

В практике обеззараживания воды широко применяются физические методы воздействия (электрическим током, ультразвуком или УФ-излучением) в сочетании с введением химических реагентов (Л.А.Кульский. Теоретические основы и технология кондиционирования воды, Киев: Наукова думка, 1983, с.331-335).

Известен способ, который предусматривает обработку воды путем ее пропускания через электролизер с электродами из сплава меди и серебра, предпочтительно содержащими 97% Сu и 3% Аg, при этом полярность и потенциал электродов периодически могут быть изменены (см. US 4680114, C 02 F 1/46, 1987).

Этот метод позволяет уничтожить бактерии и другие микроорганизмы, однако в большинстве случаев эффективные концентрации ионов меди и серебра превосходят их ПДК в воде, что, безусловно, требует дополнительных мер по снижению содержания этих ионов в обработанной воде.

Другой известный способ обеззараживания воды заключается в совместном действии пероксида водорода и 0,05-1,0 мг/л ионов меди. При этом медь не только усиливает антимикробные свойства пероксида водорода, но и является катализатором его разложения (Савлук И.П. и др. Антимикробные свойства меди. "Химия и технология воды", 1986, 8, 6, с. 65-67).

Однако эффективность этого метода недостаточно высока.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является известный из ЕР 0059978, С 02 F 1/50, 1982 способ химической обработки и обеззараживания вод и водных систем, заключающийся в одновременном использовании четвертичных соединений аммония, водорастворимых солей меди и/или серебра и пероксидного соединения, выделяющего при разложении кислород.

Этот способ является эффективным, однако требует применения достаточно дефицитных соединений.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлась разработка простого, экологически безопасного, эффективного способа обеззараживания воды до питьевого качества с использованием небольших количеств реагентов, обеспечивающих возможность предотвращения вторичного бактериального заражения воды в течение длительного времени (не менее месяца).

Поставленная задача решается тем, что способ обеззараживания воды, включающий ее обработку пероксидом водорода с последующим введением ионов серебра и меди, полученных при растворении их солей, отличается тем, что пероксид водорода вводят в воду в количестве 1-3 мг/л, затем воду выдерживают в течение 0,4-2 ч и со скоростью 0,1-0,5 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, после чего в обрабатываемую воду при помощи по крайней мере одного устройства дозирования вводят раствор соли серебра до достижения концентрации ионов Аg⁺ в воде, равной 0,001-0,005 мг/л, а затем добавляют раствор соли меди до достижения концентрации Cu²⁺, равной 0,01-0,2 мг/л.

Предпочтительно соли серебра и меди растворяют в отдельных емкостях при температуре воды 15-50^oС, а обработку воды ионами Аg⁺ и Cu²⁺ ведут при 20-30^oС и рН 6,5-8,5.

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 и меди, которые 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. Проведенные исследования показали, что ионы меди не могут быть заменены на ионы других тяжелых металлов без потери бактерицидной эффективности рассматриваемого многостадийного способа.

Использование импульсных ксеноновых ламп сплошного спектра, предпочтительно излучающих в области 200-400 нм ультрафиолетового спектра, включающих "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.

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, 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 О₂, коли-индекс 5,5.

После этого воду пропускали со скоростью 5 л/мин (0,3 м³/ч) через установку УФ обработки, содержащую размещенные 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.

Затем в воду в течение 10 мин вводили при помощи дозатора предварительно приготовленный в отдельной емкости раствор АgNО₃ (растворение соли осуществляли при температуре 30^oС) до концентрации Аg, равной 0,001 мг/л. По прошествии 10 мин в воду дозировали предварительно приготовленный в другой емкости раствор CuSО₄ 5H₂О до достижения концентрации Cu²⁺, равной 0,05 мг/л. Олигодинамическую обработку воды вели при величине рН 7,5 и температуре 25^oС. Обработанную воду выдерживали в предварительно стерилизованной таре в течение 48 ч, а затем определяли коли-индекс. Он составлял величину, равную 1. 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 составлял 1,0. Запах и неприятный вкус у воды отсутствовали. Эффект сохранялся в течение 3 мес.

Для сравнения проводили эксперименты по обработке воды только пероксидом водорода, только УФ-излучением, только ионами серебра или меди при указанных выше параметрах, а также при одновременном введении пероксида водорода и ионов меди и серебра в концентрации ниже ПДК. Ни в одном из этих случаев не удалось получить устойчивый обеззараживающий и консервирующий эффект при хранении воды в течение двух мес и более.

Пример 2.

Для изучения возможности использования предложенного метода в условиях повышенной концентрации патогенных организмов в дистиллированную воду вводили культуру санитарно-показательного микроорганизма E.coli 1257 в количестве 10⁶ кл/мл. Кроме того, более жесткие условия проведения процесса имитировали добавлением в воду анионов, которые могут влиять на эффективность олигодинамической обработки: Сl - 250 мг/л, SО₄ ^2- - 200 мг/л, S^2- - 0,05 мг/л. Полученную воду обрабатывали 3 мг/л пероксида водорода в течение 30 мин и выдерживали затем в течение 2 ч. После этого воду обрабатывали УФ-излучением аналогично примеру 1, за исключением того, что воду подавали со скоростью 0,5 м³/ч, частота импульсов ксеноновых ламп составляла 1,3 Гц, удельные энергозатраты 3 кДж/м³ и плотность потока 3 кВт/м².

Затем в воду вводили ионы серебра в количестве 0,005 мг/л (предварительно готовили 0,5%-ный раствор Аg₂SO₄), выдерживали 1 ч и добавляли ионы меди (аналогично примеру 1) в количестве 0,2 мг/л.

Для сравнения с предложенным многостадийным методом обеззараживания воды оценивали бактерицидные свойства каждого из используемых реагентов в отдельности в тех же концентрациях. Эксперименты показали, что через 3 ч после завершения многостадийного способа обработки в воде отсутствовали патогенные микроорганизмы, тогда как через этот же промежуток времени в воде, обработанной только пероксидом водорода, было обнаружено 200 кл/мл E.coli 1257, в воде, обработанной только УФ-излучением - 50 кл/мл, в воде, обработанной только Аg⁺ - 50 кл/мл, и только Cu²⁺ - 100 кл/мл этого микроорганизма. При проведении следующих измерений через сутки в воде, обработанной в соответствии с настоящим изобретением, микроорганизмы отсутствовали, а в обработанной в одну стадию их количество возрастало.

Очевидно, что при совместном использовании УФ-излучения и указанных реагентов в предлагаемых концентрациях наблюдается синергетический эффект их бактерицидного действия. При этом проявляются высокие консервирующие свойства ионов тяжелых металлов и эффект последействия, поскольку при повторном введение 10² кл/мл E.coli 1257 в обеззараженную по предложенному способу воду эти микроорганизмы не обнаруживались уже через 10 ч.

Пример 3.

Для испытаний использовали прудовую воду мутностью 4,8 мг/л, цветностью 60 град, рН 7,6, с окисляемостью 18,1 мг О/л. Воду заражали одним из наиболее устойчивых к внешним воздействиям микроорганизмов - Aerobacter cloacae в количестве 10⁹ особей/л. Воду обрабатывали аналогично примеру 1 с изменением некоторых параметров: концентрация пероксида водорода 3 мг/л, скорость движения воды в установке УФ- излучения 0,1 м³/ч, плотность потока излучения 3 кВт/см² и удельные энергозатраты 3 Дж/см³ воды, концентрация ионов серебра 0,005 мг/л, меди 0,2 мг/л.

После проведенной обработки показатели качества воды были следующие: мутность 0,25 мг/л, цветность 15 град, рН 6,7, окисляемость - 7 мг О/л. Aerobacter cloacae обнаружены не были.

Таким образом, предложенный способ обеззараживания воды является эффективным и относительно простым и доступным. Наиболее целесообразно его использовать для обработки воды в чрезвычайных ситуациях, т.е. во время эпидемий, а также когда велика опасность вторичного бактериального заражения воды.

Формула изобретения

1. Способ обеззараживания питьевой воды, включающий ее обработку пероксидом водорода с последующим введением ионов серебра и меди, полученных при растворении их солей, отличающийся тем, что пероксид водорода вводят в воду в количестве 1-3 мг/л, затем воду выдерживают в течение 0,4-2 ч и со скоростью 0,1-0,5 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 энергозатрат 1-3 кДж/м³ и плотности потока 1-3 кВт/м², после чего в обрабатываемую воду при помощи по крайней мере одного устройства дозирования вводят раствор соли серебра до достижения концентрации ионов Ag⁺ в воде, равной 0,001-0,005 мг/л, а затем добавляют раствор соли меди до достижения концентрации Cu²⁺, равной 0,01-0,2 мг/л.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соли серебра и меди растворяют в отдельных емкостях при температуре воды 15-50^oС, а обработку воды ионами Ag⁺ и Cu²⁺ ведут при 20-30^oС и рН 6,5-8,5.