Способ получения питьевой воды

Изобретение относится к комбинированным методам получения питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов при помощи пероксида водорода, УФ-облучения и ионов тяжелых металлов. Способ включает введение на первой стадии с использованием диспергаторов водного раствора, содержащего соли меди и цинка при массовом соотношении ионов Cu²⁺:Zn²⁺, равном 1:5-10, далее после выдержки в течение 0,5-1,0 часа воду обрабатывают пероксидом водорода, после чего выдерживают 0,3-0,4 часа и пропускают через устройство УФ-излучения, в которое одновременно через диспергаторы вводят водный раствор соли серебра или водный раствор соли серебра и аммиачную воду в количестве, соответственно равном 0,0005-0,001 мг/л в пересчете на Ag⁴⁺ и 1-1,5 мг/л в пересчете на аммиак. Предпочтительно, обработку ведут при температуре 5-50°С, суммарной концентрации ионов Cu²⁺ и Zn²⁺ на первой стадии обработки 0,6-1,7 мг/л, пероксида водорода 1-3 мг/л. Оптимально УФ-обработку ведут при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м³. Способ обеспечивает экологически приемлемый эффективный метод обеззараживания воды с доведением ее до питьевого качества при использовании небольших количеств бактерицидных препаратов (при их концентрации ниже установленных ПДК), обеспечивающих возможность работы в условиях относительно низких и повышенных температур. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к комбинированным методам обработки воды окислением при помощи пероксида водорода, УФ-облучения и ионами тяжелых металлов. Оно может быть использовано для обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов.

Известен способ, который предусматривает обработку воды путем ее пропускания через электролизер с электродами из сплава меди и серебра, предпочтительно содержащими 97% меди и 3% серебра (US 4680114, С 02 F 1/46, 1987 г.). Данный метод позволяет эффективно устранять в воде бактерии и другие микроорганизмы, однако, в большинстве случаев содержание ионов меди и серебра превосходит установленные для питьевой воды предельно допустимые концентрации (0,05 мг/л для серебра и 1,0 мг/л для меди: ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая»). Кроме того, для осуществления способа требуется предварительно изготавливать электроды посредством сплавления соответствующих металлов в определенном соотношении, что сопровождается значительными энергозатратами.

Другой известный способ обеззараживания воды заключается в совместном действии пероксида водорода и 0,05-1,0 мг/л ионов меди. Последние, проявляя бактерицидные свойства, одновременно служат катализатором разложения пероксида водорода (Савлук О.С. и др. Антимикробные свойства меди. Химия и технология воды, 1986, т.8, №6, с.65-67). Тем не менее, эффективность этого метода недостаточно высока.

Из литературы известны высокие антибактериальные свойства ультрафиолетового (УФ) излучения (см., например, Л.А.Кульский. Основы химии и технологии воды. Киев: Наукова думка, 1991).

Известно также усиление бактерицидных свойств при одновременном использовании ультрафиолетового излучения и ионов серебра и меди (Потапченко Н.Г., Савлук О.С., Илляшенко В.В. Сочетанное действие УФ-излучения (λ=254 нм) и ионов меди и серебра на выживаемость E.coli. Химия и технология воды, 1992, т.14, №12, с.935-935).

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ обеззараживания питьевой воды (RU 2188170, 2003 г.), включающий ее обработку пероксидом водорода с последующим введением ионов серебра и меди, полученных при растворении их солей. Пероксид водорода вводят в воду в количестве 1-3 мг/л, затем воду выдерживают в течение 0,4-2 часов и со скоростью 0,1-0,5 м³/ч пропускают через реактор, содержащий импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, преимущественно вырабатывающие УФ-лучи 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 облучения в обрабатываемую воду 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. Данный способ является относительно эффективным, однако имеет ограничения по применению при повышенных и пониженных температурах воды.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлась разработка экологически приемлемого, эффективного способа обеззараживания воды с доведением ее до питьевого качества при использовании небольших количеств бактерицидных препаратов (при их концентрации ниже установленных ПДК), обеспечивающих возможность работы в условиях относительно низких и повышенных температур.

Поставленная задача решается тем, что способ получения питьевой воды, включающий обработку исходной воды пероксидом водорода, ультрафиолетовым (УФ) излучением с длиной волны 200-400 нм и ионами металлов, отличается тем, что на первой стадии с использованием диспергаторов в воду вводят водный раствор, содержащий соли меди и цинка при массовом соотношении ионов Cu²⁺:Zn²⁺, равном 1:5-10, далее после выдержки в течение 0,5 -1,0 часа воду обрабатывают пероксидом водорода, после чего выдерживают 0,3-0,4 часа и пропускают через устройство УФ-излучения, в которое одновременно через диспергаторы вводят водный раствор соли серебра или водный раствор соли серебра и аммиачную воду в количестве, соответственно равном 0,0005-0,001 мг/л в пересчете на Ag⁺ и 1-1,5 мг/л в пересчете на аммиак.

Предпочтительно, обработку исходной воды ведут при температуре 5-50°С.

Оптимально суммарная концентрация ионов Cu²⁺ и Zn²⁺ на первой стадии обработки составляет 0,6-1,7 мг/л, а пероксид водорода вводят до его содержания 1-3 мг/л. Также оптимально УФ-обработку ведут при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м³.

Предлагаемые нами для реализации способы обеззараживания воды концентрации ионов тяжелых металлов существенно ниже их ПДК. Согласно ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая» ПДК для меди составляет 1 мг/л, для цинка - 5 мг/л, для серебра - 0,05 составляет 5 мг/л.

Совместная обработка воды в последовательности ионы меди + ионы цинка → пероксид водорода → УФ-излучение + ионы серебра дает следующие преимущества перед известным (RU 2188170) способом: 1) возможность работы при температурах 5÷50°С и более широком интервале рН 5,7÷9,8; 2) снижение дозы применяемого серебра; 3) обеспечение длительной бактериологической стойкости обработанной воды. Ионы меди и цинка при совместном использовании в предложенном оптимальном соотношении дают синергетический бактерицидный эффект (т.е. неадекватное усиление). Отметим, кроме того, что введенные в воду на первой стадии обработки ионы меди и цинка, выполнив функцию активаторов бактерицидных свойств пероксида водорода и ультрафиолетового излучения, беспрепятственно проходят через реактор с пероксидом и устройство УФ-излучения и в сочетании с введенными на последней из упомянутых стадий (УФ-излучение) ионами серебра способствуют существенному увеличению времени сохранности воды. Особенно этот показатель возрастает при одновременном введении ионов серебра и аммиака (в виде аммиачной воды). Это обусловлено образованием аммиачных комплексных катионов: [Ag(NH₃)₂]⁺, [Cu(NH₃)₄]²⁺ и [Zn(NH₃)₄]²⁺, которые стабилизируют серебро, медь и цинк в состоянии, проявляющем максимальные бактерицидные свойства. Введение в исходную воду раствора солей меди, цинка и серебра через диспергаторы способствует ускорению распределения ионов Cu²⁺, Zn²⁺ и Ag⁺ в воде и их воздействия на патогенные микроорганизмы.

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

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

Природная вода с рН=7,1 была искусственно заражена санитарно-показательными микроорганизмами E.coli из расчета 1,5·10⁵ кл/см³ и охлаждена до 5°С. Далее в воду через диспергаторы ввели водный раствор, содержащий сульфат меди и сульфат цинка, в количестве, соответствующем содержанию ионов Cu²⁺ 0,2 мг/л и ионов Zn²⁺ 1 мг/л (массовое соотношение Cu²⁺:Zn²⁺=1:5), выдержали 0,5 часа, обработали пероксидом водорода (2 мг/л) и выдержали 0,3 часа. Затем воду пропустили 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. Одновременно с обработкой ультрафиолетовым излучением через диспергаторы подали водный раствор Ag₂SO₄ с тем, чтобы концентрация Ag⁺ в воде составила 0,001 мг/л.

После 3-часовой выдержки обработанной воды провели анализ по определению числа выживших микроорганизмов. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 2.

Исследования выполнены аналогично примеру 1. Отличие состояло в температуре, которая поддерживалась равной 30°С±1°С. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 3.

Исследования выполнены аналогично примеру 1. Отличие состояло в температуре, равной 50°С±2°С. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 4.

Исследования выполнены аналогично примеру 3, но исходная величина рН воды составляла 5,7. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 5.

Исследования выполнены аналогично примеру 3, но исходная величина рН воды составляла 8,2. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 6.

Природная вода рН=6,0 при температуре 10°С была заражена E.coli в количестве 1,45·10⁵ кл/см³. Далее в воду через диспергаторы ввели водный раствор, содержащий сульфат меди и сульфат цинка при их массовом соотношении, соответственно равном 1:10 до достижения в воде концентрации 0,15 мг Cu²⁺/л и 1,5 мг Zn²⁺/л. После выдержки в течение 1 часа воду обработали пероксидом водорода (3 мг/л), выдержали в течение 0,4 часа и подвергли УФ-облучению в соответствии с примером 1, за исключением того, что частота импульсов составляла 0,8 Гц и удельные энергозатраты - 0,8 Дж/см³ воды, концентрация Ag⁺ (вводили в виде раствора азотнокислого серебра) составляла 0,0005 мг/л. После 3-часовой выдержки проводили анализ по определению числа выживших микроорганизмов. Результаты представлены в таблице.

Пример 7.

Природная вода имела рН=9,8, зараженность 1,45·10⁵ кл/см³, температуру 40±2°С. Далее обработку воды вели по примеру 6. Результаты представлены в таблице. Конечная величина рН составляла 7,9.

Пример 8.

Природная вода с рН=9,8 и зараженностью 1,3·10⁵ кл/см³ при температуре 15°С прошла обработку: введение через диспергаторы водного раствора, содержащего хлорид меди и хлорид цинка при массовом соотношении 1:5 (из расчета 0,25 мг Cu²⁺/л и 1,25 мг Zn²⁺/n), выдержку в течение 0,5 часа, обработку пероксидом водорода (3 мг/л), выдержку 0,5 часа, облучение ультрафиолетом (параметры по примеру 1) с одновременным введением через дипергаторы водного раствора сульфата серебра Ag₂SO₄ с тем, чтобы концентрация Ag⁺ составляла 0,001 мг/л. После 3-часовой выдержки провели анализ по определению числа выживших микроорганизмов. Результаты испытаний представлены в таблице.

Пример 9.

Способ осуществляли аналогично примеру 8. Отличия: рН исходной воды 5,7, вместе с раствором Ag₂SO₄ вводили аммиачную воду из расчета 1 мг NH₃/л. Величина рН воды после обработки составляла 7,3.

Пример 10 (для сопоставления с аналогом по RU 2188170).

Природная вода - по примеру 7. Обработку воды проводили в соответствии с аналогом - RU 2188170: в воду вводили пероксид водорода в количестве 2 мг/л, выдерживали в течение 1 ч, 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. Затем в воду в течение 10 мин вводили при помощи дозатора предварительно приготовленный в отдельной емкости раствор AgNO₃ до концентрации Ag⁺, равной 0,005 мг/л. По прошествии 10 мин в воду дозировали предварительно приготовленный в другой емкости раствор CuSO₄·5H₂O до достижения концентрации Cu²⁺, равной 0,2 мг/л. Результаты испытаний представлены в таблице.

Воду, обработанную по всем примерам, проверяли на антибактериальную устойчивость. Для этого воду выдерживали в предварительно стерилизованной таре с периодическим отбором проб на анализ. Из табличных данных следует, что вода в широком диапазоне температур и рН, обработанная предложенным способом, оставалась безопасной в санитарно-гигиеническом отношении в течение 3-х месяцев (примеры 1-9). В случае примера 9 вода сохраняла антибактериальную устойчивость в течение 6-ти месяцев. В то же время известный способ обеззараживания воды (RU 2188170) не обеспечил ей надлежащую устойчивость: уже через 1 месяц вода превысила порог санитарной безопасности.

Таким образом, предложенный способ обеззараживания воды является эффективным, относительно простым и доступным. Наиболее целесообразно использовать его для подготовки питьевой воды в чрезвычайных ситуациях, например в целях предотвращения эпидемий, а также когда велика опасность вторичного бактериального загрязнения воды, прежде всего в жаркое время года.

Таблица.
Пример	Число микроорганизмов, кл/см3	Стадии обработки, реактивы	Температура	рН (исходный)	Число выживших организмов, кл/л
через 3 часа	через 1 месяц	через 3 месяца
1	1,5·105	0,2 мг/л Cu2++1 мг/л Zn2+, 2 мг/л Н2O2, УФ+0,001 мг/л Ag+	5°С	7,1	не обн.	1	3
2	1,5·105	аналогично примеру 1	30±1°С	7,1	не обн.	не обн.	2
3	1,5·105	аналогично примеру 1	50±2°С	7.1	не обн.	не обн.	не обн.
4	1,5·105	аналогично примеру 1	50±2°С	5,7	не обн.	не обн.	не обн.
5	1,5·105	аналогично примеру 1	50±2°С	8,2	не обн.	не обн.	не обн.
6	1,45·105	0,15 мг/л Cu2++1,5 мг/л Zn2+, 3 мг/л Н2O2, УФ +0,0005 Ag+мг/л	10°С	6,0	1	1	3
7	1,45·105	аналогично примеру 6	40±2°С	9,8	не обн.	не обн.	1
8	1,3·105	0,25 мг/л Cu2++1,25 мг/л Zn2+, 3 мг/л Н2O2, УФ+0,001 мг/л Ag	15°С	9,8	1	2	3
9	1,3·105	0,25 мг/л Cu2++1,25 мг/л Zn2+, 3 мг/л Н2O2, УФ+0,001 мг/л Ag++1 мг/л NH3	15°С	5,7	не обн.	1	не обн.
10	1,45·105	аналогично примеру 7	40±2°С	9,8	3	12	˜5·102

1. Способ получения питьевой воды, включающий обработку исходной воды пероксидом водорода, ультрафиолетовым (УФ) излучением с длиной волны 200-400 нм и ионами металлов, отличающийся тем, что на первой стадии с использованием диспергаторов в воду вводят водный раствор, содержащий соли меди и цинка при массовом соотношении ионов Cu²⁺:Zn²⁺, равном 1:5-10, далее после выдержки в течение 0,5-1,0 ч воду обрабатывают пероксидом водорода, после чего выдерживают 0,3-0,4 ч и пропускают через устройство УФ-излучения, в которое вводят водный раствор соли серебра или водный раствор соли серебра и аммиачную воду в количестве, соответственно равном 0,0005-0,001 мг/л в пересчете на Ag⁺ и 1-1,5 мг/л в пересчете на аммиак.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что его проводят при температуре воды 5-50°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что суммарная концентрация ионов Cu⁺ и Zn⁺ на первой стадии обработки составляет 0,6-1,7 мг/л, а пероксид водорода вводят до его содержания 1-3 мг/л.

4. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что УФ-обработку ведут при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м³.