Комбинированный способ обеззараживания воды

Изобретение относится к многостадийным методам обработки воды с применением ультрафиолетового (УФ) облучения и реагентов и может быть использовано для очистки и обеззараживания питьевой воды в системах водоснабжения населенных пунктов. Способ обеззараживания питьевой воды включает ее обработку пероксидом водорода, УФ-облучение в диапазоне длин волн 200-400 нм и введение ионов серебра, причем ионы серебра вводят в концентрации 0,0005-0,003 мг/л в два приема - на первой стадии вводят половину общего количества, выдерживают воду в течение 1 часа при постоянном воздушном перемешивании, далее вносят пероксид водорода, выдерживают 1 час и пропускают воду через установку УФ-облучения при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м³ с одновременной подачей второй половины от общего количества ионов серебра. Источником ионов серебра могут служить водный раствор солей серебра или водные растворы аммиачных комплексов серебра, приготовленных добавлением при перемешивании к 0,2%-ному раствору Ag₂SO₄ или AgNO₃ газообразного аммиака при массовом соотношении Ag⁺:NH₃, равном 1:2,8-3,0. После введения первой половины ионов серебра выдержку осуществляют при соотношении объемов воды и пропущенного воздуха 1:1-3. Способ обеспечивает расширение арсенала средств обеззараживания питьевой воды и создание экологически надежного способа с возможностью предотвращения вторичного бактериального заражения в течение длительного времени при снижении количества используемого серебра и уменьшении расхода электроэнергии. 2 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 в системах водоснабжения городов и других населенных пунктов.

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 обеззараживания воды заключается в одновременном введении 3-100 мг/л пероксида водорода и 0,05 мг/л соли серебра (М.А.Шевченко и др. Окислители в технологии водообработки. Киев: Наукова думка, 1979, с.50-51). Недостаток этого метода связан с использованием для удаления вирусов и спор достаточно больших концентраций реагентов, особенно пероксида водорода, что нежелательно по санитарно-гигиеническим соображениям, поскольку остаточная концентрация пероксида водорода после завершения процесса будет превышать ПДК этого соединения в воде (ПДК составляет 0,1 мг/л в соответствии с ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая").

Согласно RU 2033976, 1995 г. способ очистки и обеззараживания природных вод включает их механическую обработку в две стадии, импульсное УФ-облучение сплошного спектра, опреснение при помощи обратного осмоса, пропускание через углеволокнистый сорбент и повторное УФ-облучение сплошного спектра. Однако этот способ является очень сложным и дорогостоящим.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является многостадийный способ обеззараживания питьевой воды по патенту RU 2188167, 2002 г. 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 Ag⁺:NH₃, равном 2,8-3,0, причем дозирование осуществляют до достижения в воде концентрации серебра, равной 0,001-0,005 мг/л. При этом для приготовления раствора аммиачного комплексного соединения серебра используют 0,1%-ный раствор Ag₂SO₄ или 0,2%-ный раствор AgNO₃. Указано, что аммиачные комплексы серебра обладают относительно высокой бактерицидной активностью, способны длительно храниться и придают содержащей их воде устойчивость к повторному (внешнему) бактериальному загрязнению.

Одним из недостатков указанного метода является то, что не в полной мере используются индивидуальные бактерицидные свойства ионов серебра (простых - Ag⁺ или комплексных - [Ag(NH₃)₂]⁺), а также в значительных энергозатратах.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, являлось расширение арсенала эффективных средств обеззараживания питьевой воды и создание надежного в эксплуатации экологически приемлемого способа, обеспечивающего возможность предотвращения ее вторичного бактериального заражения в течение длительного времени при одновременном снижении количества используемого серебра и уменьшении расхода электроэнергии.

Поставленная задача решается тем, что способ обеззараживания питьевой воды, включающий ее обработку пероксидом водорода, ультрафиолетовое (УФ) облучение в диапазоне длин волн 200-400 нм и введение ионов серебра, отличается от наиболее близкого аналога тем, что ионы серебра вводят в концентрации 0,0005-0,003 мг/л в два приема - на первой стадии обработки вносят половину общего количества используемых в процессе ионов серебра, выдерживают воду в течение 1 часа при постоянном воздушном перемешивании, далее вводят пероксид водорода, выдерживают 1 час и пропускают воду через установку УФ-облучения, в которой обработку ведут при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м³ с одновременной подачей второй половины от общего количества используемых ионов серебра.

Источником ионов серебра могут служить водный раствор солей серебра или водные растворы аммиачных комплексов серебра, приготовленных добавлением при перемешивании к 0,2%-ному раствору Ag₂SO₄ или AgNO₃ газообразного аммиака при массовом соотношении Ag⁺:NH₃, равном 1:2,8-3,0.

Предпочтительно, выдержку воды после введения первой половины ионов серебра осуществляют при соотношении объемов воды и пропущенного воздуха, составляющем 1:1-3.

Предлагаемый способ обеззараживания питьевой воды так же, как известный, осуществляют в несколько стадий, но отличается он тем, что ионы серебра (простые или комплексные) вводят в несколько меньшей концентрации (0,0005-0,003 мг/л), чем в прототипе, в два приема: половину - на первой стадии, а вторую половину - на стадии УФ-облучения. Также была установлена важность воздушного перемешивания на стадии выдержки воды после введения первой порции ионов серебра.

Предлагаемая новая схема обработки воды (ионы серебра → пероксид водорода → УФ-облучение + ионы серебра) вместо известной (пероксид водорода → УФ-облучение → ионы серебра) позволяет обеспечить высокий уровень обеззараживания и длительную устойчивость к внешнему бактериальному загрязнению, причем, что существенно, при меньших дозах вводимого дорогостоящего серебра, а также при меньших электрозатратах на УФ-облучение.

По известному способу роль аммиачных комплексов практически состоит лишь в обеспечении длительной антибактериальной устойчивости воды, прошедшей перед этим обработку пероксидом водорода и УФ-излучением. Между тем нами показано, что малые (ниже ПДК) концентрации ионов серебра в сочетании с пероксидом водорода или ультрафиолетовым излучением дают синергетический бактерицидный эффект, следствием чего является резкое возрастание глубины обеззараживания. С другой стороны, пероксид водорода и ультрафиолетовое излучение при воздействии на ионы серебра Ag⁺ способны перевести последние в ионы серебра Ag²⁺, которые обладают даже большей бактерицидной активностью, нежели Ag⁺.

Указанные в формуле изобретения количественные показатели процесса обработки воды являются оптимальными для поверхностных водоисточников, обычно используемых для получения питьевой воды, при этом нижние пределы концентрации ионов серебра соответствуют содержанию не более 10² единиц микроорганизмов или грибов в литре воды.

Ниже приведены примеры осуществления предложенного способа.

Пример 1.

Исходная вода имеет показатели, представленные в таблице (поз.4). В воду вводили водный раствор нитрата серебра в дозе, обеспечивающей содержание Ag⁺ в воде 0,001 мг/л. Полученную воду выдерживали в течение 1 часа при постоянном воздушном перемешивании, после чего она имела следующие показатели: рН=7,1, содержание взвешенных веществ 0,55 мг/л, цветность 24 град, щелочность 0,41 мг-экв/л, окисляемость перманганатная 19 мг/л О₂, колииндекс 16.

Затем в воду вводили пероксид водорода в количестве 3 мг/л. Полученную воду выдерживали в течение 1 часа при постоянном воздушном перемешивании, соотношение объемов воды и воздуха (суммарно пропущенного) составляло 1:1, после чего вода имела следующие показатели: рН 7,0, содержание взвешенных веществ 0,49 мг/л, цветность 14 град, окисляемость перманганатная 15 мг/л О₂, колииндекс 6. При снижении указанного соотношения между водой и воздухом показатели воды ухудшались.

После этого воду пропускали со скоростью 0,3 м³/ч через установку УФ-облучения, содержащую установленные в слое воды импульсные ксеноновые лампы сплошного спектра, излучающие, преимущественно, в диапазоне 200-400 нм при частоте импульсов 1 Гц, плотности потока 1 кВт/м² и удельных энергозатратах 0,8 Дж/см³ воды. Одновременно в установку вводили при помощи дозатора водный раствор нитрата серебра, обеспечивающий суммарное содержание Ag⁺ в воде 0,002 мг/л (с учетом ранее введенной дозы ионов серебра). Показатели полученной воды: содержание взвешенных веществ 0,38 мг/л, цветность 10 град, окисляемость перманганатная 10 мг/л О₂, колииндекс 1 (данные в таблице).

Затем воду подвергали повторному бактериологическому заражению культурой E.coli 1257 в количестве 10² кл/л и через 24 часа проводили определение числа выживших микроорганизмов. Колииндекс (т.е. число клеток в 1 л) составлял 2 (согласно ГОСТ 2874-82 "Вода питьевая" вода считается санитарно-безопасной, если колииндекс не превышает 3). Запах и неприятный вкус у воды отмечены не были. Эффект сохранялся в течение 1 месяца. Для сравнения аналогичным образом повторно заражали воду (10² кл/л), прошедшую все стадии обработки, кроме введения ионов серебра. По прошествии 24 часов количество E.coli 1257 составляло 1,5*10² кл/л, т.е. увеличилось на 50%.

Пример 2.

Для исследований использовали воду, показатели которой соответствовали примеру 1 (таблица, поз.4). Затем в воду вводили сульфат серебра в дозе, обеспечивающей содержание Ag⁺ в воде 0,0005 мг/л (т.е. половину дозы по примеру 1). Полученную воду выдерживали в течение 1 часа при постоянном воздушном перемешивании, соотношение вода : воздух составляло 1:3. Затем в воду вводили пероксид водорода в количестве 3 мг/л. Далее после выдержки 1 час воду обрабатывали УФ-излучением в соответствии с примером 1, но частота импульсов составляла 0,8 Гц, плотность потока - 1,2 кВт/м² и удельные энергозатраты - 1 Дж/см³ воды. Одновременно в воду вводили оставшееся количество ионов серебра (0,0005 мг/л). Показатели полученной воды представлены в таблице. Для сравнения выдержку воды осуществляли без воздушного перемешивания, при этом в обработанной воде в 1,5 раза увеличивалось содержание микроорганизмов, а также ухудшались другие важные показатели - содержание СПАВ, железа, мутность и цветность.

Пример 3.

Для исследований использовали воду, показатели которой соответствовали примеру 1 (таблица, поз.4). Затем в воду вводили до достижения концентрации серебра (в расчете на Ag⁺) 0,0015 мг/л водный раствор аммиачного комплекса серебра, который предварительно готовили смешением 0,2%-ного водного раствора AgNO₃ с 4,2 г газообразного аммиака, который подавали из баллона. При этом массовое соотношение Ag⁺:NH₃ в приготовленном растворе составляло 3:1. Дальнейшую обработку воды проводили в соответствии с примером 1, но доза ионов серебра на последней стадии составляла 0,0015 мг/л. Показатели полученной воды представлены в таблице.

После этого воду проверяли на бактериальную устойчивость по вышеизложенной методике (пример 1) путем повторного заражения воды. Колииндекс через 24 часа выдержки воды составлял 1.

Пример 4.

В качестве контрольного проводили проверку эффективности известного по RU 2188167 метода многостадийного обеззараживания. Последовательность стадий: пероксид водорода → УФ-облучение → ионы серебра. Серебро вводили в виде аммиачного комплекса, полученного по примеру 3 данного изобретения. Концентрация ионов серебра составляла 0,004 мг/л, т.е. выше, чем по предлагаемому способу. Параметры обработки пероксидом водорода и УФ-излучением - как в примере 1. Остальные параметры процесса в соответствии с примером 1. Результаты испытаний представлены в таблице.

Как следует из представленных в таблице данных, предлагаемый способ (примеры 1-3) по бактерицидной эффективности превышает известный, причем, что важно, при меньшей концентрации ионов серебра. При этом форма введенного серебра (в виде простого иона или аммиачного комплексного иона) решающей роли не играет.

Таблица КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ
№ п/п	Наименование показателя, единица измерения	Норма (ГОСТ, ТУ, ИСО, НТП)	Исходная вода	Вода после полной обработки, согласно
Примеру 1	Примеру 2	Примеру 3	Примеру 4 (аналог)
1	2	3	4	5	6	7	8
1	Мутность, мг/л	1,5 (ГОСТ 3351-74)	4,5	1,4	1,3	1,3	1,5
2	Цветность, град	20 (ГОСТ 3351-74)	60	10	11	12	13
3	Запах, балл	2,0 (ГОСТ 3351-74)	4,0	1,0	2,0	1,0	2,0
4	рН	6,5-8,5 (ГОСТ 2874-82)	7,2	7,0	6,9	7,1	6,8
5	Щелочность, мг-экв/л	0,4 (ГОСТ 2874-82)	0,56	0,4	0,3	0,4	0,3
6	Окисляемость, мг О2/л	15 (ГОСТ 18301-72)	19,4	10,0	8,0	9,0	8,0
7	Аммиак, мг/л	0,45 (ГОСТ 18301-72)	-	-	-	-	0,3
8	Железо общее, мг/л	2,0 (ИСО 6332-83)	2,5	2,0	2,1	2,1	2,0
9	Общие углеводы, мг/л	<0,1 (ГОСТ 2874-82)	0,2	0,09	0,08	0,07	0,07
10	Фенол, мг/л	0,001 (ГОСТ 2874-82)	0,002	-	-	-	-
11	СПАВ	0,5 (ГОСТ 2874-82)	0,6	0,4	0,3	0,4	0,4
12	Общее микробное число, ед/мл	<100 (ГОСТ 2874-82)	980	70	66	74	80
13	Коли формы общие, кл/мл	<1(ГОСТ 2874-82)	3*102	3	3	2	4
14	Кишечная палочка E.coli кл/л или колииндекс	<3 в 1 л (ГОСТ 2874-82)	150	1	2	2	3
15	Кишечный фаг, ед/мл	<2в 100 мл	18	не обн.	не обн.	не обн.	не обн.

1. Способ обеззараживания питьевой воды, включающий ее обработку пероксидом водорода, ультрафиолетовое (УФ) облучение в диапазоне длин волн 200-400 нм и введение ионов серебра, отличающийся тем, что ионы серебра вводят в концентрации 0,0005-0,003 мг/л в два приема, при этом на первой стадии вносят половину общего количества используемых в процессе ионов серебра, выдерживают воду в течение 1 ч при постоянном воздушном перемешивании, далее вводят пероксид водорода, выдерживают 1 ч и пропускают воду через установку УФ-облучения, в которой обработку ведут при частоте излучения 0,8-1 Гц и удельных энергозатратах 0,8-1 кДж/м³ с одновременной подачей второй половины общего количества используемых ионов серебра.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источником ионов серебра служит водный раствор солей серебра, водные растворы аммиачных комплексов серебра, приготовленных добавлением при перемешивании к 0,2%-ному раствору Ag₂SO₄ или AgNO₃ газообразного аммиака при массовом соотношении Ag⁺:NH₃, равном 1:2,8-3,0.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что выдержку воды после введения первой половины ионов серебра осуществляют при соотношении объемов воды и пропущенного воздуха, составляющем 1:1-3.