Всестороннее сравнение дезинфицирующих средств, используемых в настоящее время для дезинфекции водопроводной воды 

1. Сравнение параметров дезинфицирующих средств, требуемых GB5749 «Санитарные стандарты для питьевой воды»:

2. Характеристики общих дезинфицирующих средств на основе хлора (включая гипохлорит натрия, отбеливающий порошок и т. д.)
Общие дезинфицирующие средства на основе хлора обладают сильными бактерицидными свойствами, обеспечивая эффективную дезинфекцию наряду с определенными альгицидными и дезодорирующими способностями. Коммерческие растворы гипохлорита натрия, после получения разрешений, связанных с водой, могут использоваться для дезинфекции питьевой воды. Их независимое хранение в бочках облегчает транспортировку.
2.1 Коммерческий гипохлорит натрия
2.1.1 Коммерческий гипохлорит натрия является неизбежным побочным продуктом деятельности хлор-щелочных заводов, образующимся в результате поглощения избыточного хлора каустической содой. Его эффективное содержание хлора колеблется от 10% до 13%. Многочисленные эксперименты показывают, что растворы гипохлорита натрия высокой концентрации легко разлагаются.
2.1.2. Коммерческий гипохлорит натрия с эффективным содержанием хлора более 5% классифицируется как опасное химическое вещество.
2.1.3. Коммерческий гипохлорит натрия имеет pH около 11. При добавлении в воду с высокой жесткостью он может вызывать осаждение карбоната кальция и карбоната магния, что приводит к образованию накипи в трубах, клапанах и насосах.

2.2 Генератор гипохлорита натрия
Принцип: электролиз рассола
При электрификации хлорид натрия (NaCl) и вода (H₂O) в рассоле подвергаются ионизации, в результате чего на катоде и аноде образуются водород и хлор. Оставшиеся гидроксид-ионы соединяются с ионами натрия, образуя молекулы гидроксида натрия.
В промышленном производстве гидроксида натрия обычно используется этот процесс электролиза соленой воды. При контакте газообразного хлора с раствором гидроксида натрия образуются NaCl и NaClO (гипохлорит натрия).
Генераторы гипохлорита натрия требуют значительных затрат, включая оборудование для умягчения воды, аппараты для растворения соли, электролитические системы, системы выпуска водорода и многое другое.
Вода, используемая в генераторах гипохлорита натрия, должна быть умягчена, в противном случае образование накипи существенно ухудшает производство гипохлорита натрия.
Наиболее важными компонентами генератора гипохлорита натрия являются электроды и электролитическая ячейка. Несомненно, эти ключевые детали требуют регулярного обслуживания и замены, хотя связанные с этим затраты трудно учесть в бюджете. Обслуживание электролитической ячейки включает промывку кислотой, при которой концентрация кислотного раствора должна строго контролироваться, чтобы предотвратить повреждение электродов.
Генераторы гипохлорита натрия производят водород в качестве побочного продукта. Согласно расчетам компании Chongqing Hehongxin Environmental Technology Co., Ltd., на каждый 1 грамм произведенного гипохлорита натрия приходится примерно 0,35 литра водорода. Водород является горючим и взрывоопасным газом, нерастворимым в воде, что представляет значительную угрозу безопасности и требует соблюдения высоких стандартов безопасности.
2.3 Гипохлорит натрия также генерирует значительные количества хлорорганических соединений (канцерогенных, мутагенных и тератогенных веществ) при дезинфекции воды.
2.4 Уведомление об усилении контроля за дезинфицирующими средствами для питьевой воды, изданное Бюро надзора Министерства здравоохранения, гласит: за исключением жидкого хлора и газообразного хлора, дезинфицирующие средства, используемые для питьевой воды, должны иметь разрешение на использование, выданное Министерством здравоохранения или административными органами здравоохранения провинциального уровня.
2.5 При дезинфекции питьевой воды растворами гипохлорита натрия образуется хлорат. Хлорат может также образовываться при производстве и хранении растворов гипохлорита, а фотолиз щелочных растворов гипохлорита еще больше ускоряет образование хлората.
2.6 Хлор и обычные дезинфицирующие средства на основе хлора неэффективны против двух простейших организмов, обитающих в воде: Giardia lamblia и Cryptosporidium.
3. Характеристики дезинфекции озоном:
3.1 Озон быстро уничтожает бактерии, водоросли, патогенные микроорганизмы и другие загрязнения в воде, причем на его эффективность минимально влияют уровни pH или содержание аммиака. Он также удаляет цвет и запах из воды, а также железо и марганец, и обладает свойствами, усиливающими коагуляцию. Дезинфекция озоном является высокоэффективной, способной уничтожать Giardia и Cryptosporidium без образования токсичных органических соединений, таких как хлороформ, при этом улучшая сенсорные характеристики воды.
3.2 Однако озон имеет неотъемлемые ограничения в применении. Он легко разлагается и должен генерироваться на месте для немедленного использования. Из-за высокой стоимости оборудования для очистки и эксплуатационных расходов только более 3000 водоочистных станций по всему миру используют этот метод. Кроме того, дезинфекция озоном обладает селективностью; некоторые микроорганизмы, такие как Penicillium и Chlorella, обладают устойчивостью к озону, что требует длительного воздействия для эффективного уничтожения. Кроме того, озон быстро разлагается, оставляя минимальный остаточный дезинфицирующий эффект и потенциально вызывая рецидив бактерий, что требует добавления других дезинфицирующих средств после обработки. Более того, дезинфекция озоном приводит к образованию побочных продуктов, таких как бромат, альдегиды и кетоны, которые требуют тщательного контроля.
3.3 В последние годы достижения в области технологий генерации озона привели к снижению затрат, что способствовало более широкому использованию озона. Введение новых стандартов повысило осведомленность о побочных продуктах дезинфекции хлором и простейших/гельминтах, что способствовало применению озоновой технологии. Кроме того, в настоящее время многие ученые занимаются исследованиями по поиску решений для побочных продуктов дезинфекции озоном и методов повышения скорости растворения озона. После решения этих проблем озон получит большее признание за свои уникальные дезинфицирующие свойства.
4. Характеристики дезинфекции диоксидом хлора
4.1 Диоксид хлора обладает мощными окислительными свойствами, эффективно уничтожая споры, вирусы, водоросли и подобные загрязнения. Его дезинфицирующая эффективность не зависит от уровня pH, он не вступает в реакцию с аммиаком или хлораминами и сохраняет сильную бактерицидную активность даже в воде с высоким содержанием аммиака. Остаточный диоксид хлора сохраняется в течение длительного времени в распределительных сетях, демонстрируя сильные отбеливающие, дезодорирующие и удаляющие железо/марганец свойства. Кроме того, дезинфицированный водный раствор не содержит вредного трихлорметана. Во время наводнений диоксид хлора демонстрирует отличную эффективность против энтеровирусов и полиовирусов в источниках воды.
4.2 Однако при применении диоксида хлора остается ряд нерешенных вопросов. Он очень нестабилен и не может транспортироваться в баллонах, как хлорный газ. Поэтому ClO₂ необходимо генерировать на месте для немедленного использования, причем наиболее безопасным способом применения являются водные растворы. Стоимость дезинфекции диоксидом хлора немного выше, чем стоимость дезинфекции традиционными средствами на основе хлора. Неправильное применение может привести к чрезмерному повышению уровня хлорид-ионов, что может повредить эритроциты, нарушить усвоение йода и обмен веществ, а также повысить уровень холестерина в крови.

5. Сравнение чистого диоксида хлора с композитными методами дезинфекции диоксидом хлора (метод хлората натрия, включая GreenAnXiao)

Высокочистый диоксид хлора широко используется в развитых странах Европы и Америки для дезинфекции питьевой воды, заменяя традиционные дезинфицирующие средства на основе хлора. Среди них такие крупные города, как Милан, Рим и Неаполь в Италии; Берлин в Германии; Париж во Франции; Брюссель в Бельгии; Цюрих в Швейцарии; Ливерпуль в Великобритании; Вена в Австрии; а также города в США, включая Филадельфию, Атланту, Денвер и Новый Орлеан. В развитых западных странах композитный диоксид хлора используется исключительно для окислительной очистки сточных вод и отбеливания целлюлозы, а его использование для дезинфекции питьевой воды строго запрещено.
Реакция хлората натрия + концентрированная соляная кислота (или другие смешанные кислоты) в композитных генераторах диоксида хлора работает оптимально при 75 °C. Однако пользователи часто устанавливают температуру реакции в диапазоне 45-55 °C из соображений безопасности. В результате более 50 % хлората натрия остается нереагировавшим, что часто приводит к превышению нормативных пределов содержания хлорат-ионов в очищенной воде водопроводных станций. Для смягчения этой проблемы Национальная комиссия по здравоохранению предусматривает газожидкостную сепарацию в недавно принятом национальном стандарте «Стандарт безопасности и гигиены для генераторов дезинфицирующего средства на основе диоксида хлора». В частности, генераторы, использующие метод хлората натрия для производства диоксида хлора, должны быть оснащены функцией газожидкостной сепарации (или сепарации остаточной жидкости) при использовании для дезинфекции питьевой воды. Это обеспечивает эффективную сепарацию остаточной жидкости, которая может быть переработана или утилизирована надлежащим образом.
Хотя внедрение газожидкостной сепарации решает проблему избытка ионов перхлората, оно значительно увеличивает эксплуатационные расходы при использовании композитных диоксидов хлора. Добавление оборудования для газожидкостной сепарации влечет за собой более высокое потребление электроэнергии, расходы на обработку отработанной жидкости, затраты на рабочую силу, расходы на техническое обслуживание и потери активных ингредиентов. Эти нематериальные затраты в конечном итоге несет конечный пользователь.
Тем не менее, проблема хлорного газа в получаемых продуктах остается нерешенной. Газожидкостная сепарация не может отделить хлорный газ от диоксида хлора. При наличии органических веществ в воде они по-прежнему будут вступать в реакции замещения с хлорным газом с образованием органических галогенидов, что приводит к чрезмерному содержанию хлорированных побочных продуктов в конечной воде. Они представляют канцерогенную, тератогенную и мутагенную опасность для здоровья человека.
Исследования показывают, что с увеличением массовой доли диоксида хлора в смешанных дезинфицирующих средствах уменьшается образование тригалометанов (ТГМ) и хлороформа. Для эффективного контроля образования хлороформа массовая доля диоксида хлора должна превышать 90 %. Это дает важную научную обоснованность для производства генераторов диоксида хлора высокой чистоты и использования диоксида хлора высокой чистоты для дезинфекции.
6. Резюме.
6.1. Обычные дезинфицирующие средства на основе хлора широко используются, легко приобретаются, обладают сильными бактерицидными свойствами, обеспечивают эффективную дезинфекцию и демонстрируют некоторые альгицидные и дезодорирующие способности. Однако транспортировка и хранение жидкого хлора представляют значительную угрозу безопасности. Гипохлорит натрия легко разлагается и образует хлорат во время производства и хранения, причем растворы с концентрацией выше 5% классифицируются как опасные химические вещества. При наличии в воде значительного количества органических веществ эти соединения вступают в реакцию хлорирования с органическими веществами, образуя хлорированные побочные продукты, такие как хлороформ. Чрезмерное образование побочных продуктов превышает допустимые пределы, что приводит к канцерогенным, тератогенным и мутагенным последствиям.
6.2. Озон быстро уничтожает бактерии, водоросли, патогенные микроорганизмы, лямблии и криптоспоридии в воде. На его дезинфицирующую эффективность минимально влияют уровни pH или аммиака. Он также обесцвечивает, дезодорирует, удаляет железо и марганец и способствует коагуляции без образования токсичных органических веществ, таких как хлороформ, улучшая сенсорные характеристики воды. Однако озон легко разлагается с минимальной остаточной эффективностью, что требует его сочетания с другими дезинфицирующими средствами для обеспечения устойчивой дезинфекции в распределительных сетях. Первоначальные инвестиции значительны, энергопотребление высокое, и легко образуются побочные продукты бромата. Бромат остается канцерогеном, который трудно устранить и требует строгого контроля.
6.3. Композитный диоксид хлора Реагентом является хлорат натрия, требующий нагрева в процессе реакции. Продуктами являются смесь диоксида хлора и газообразного хлора. Согласно национальным стандартам, при приготовлении диоксида хлора методом хлората натрия требуется разделение газа и жидкости. Настоящее разделение газа и жидкости существенно повышает затраты на применение, в результате чего разделение газа и жидкости в коммерчески доступных генераторах диоксида хлора в основном носит номинальный характер. После введения нового национального стандарта для генераторов диоксида хлора 1 июля 2025 года водопроводные компании столкнутся с существенными рисками несоответствия требованиям во время инспекций по надзору за состоянием здоровья. Кроме того, разделение газа и жидкости не позволяет эффективно отделять хлорный газ от диоксида хлора. При наличии органических веществ в воде они все равно будут вступать в реакции замещения с хлором, образуя органические галогениды, что приведет к образованию избыточных хлорированных побочных продуктов в очищенной воде. Это создает канцерогенный, тератогенный и мутагенный риск для здоровья человека.
6.4. Таким образом, использование высокочистого диоксида хлора в качестве дезинфицирующего средства для воды является предпочтительным выбором для водоочистных станций. Ни один из вышеупомянутых недостатков не относится к высокочистому диоксиду хлора. Его единственным недостатком является то, что эксплуатационные расходы немного выше, чем у традиционных средств на основе хлора и композитных составов диоксида хлора. Однако при условии обеспечения качества исходной воды и наличия комплексных процессов и оборудования для очистки на станции, расходы на дезинфекцию после фильтрации могут быть ограничены в пределах 3-5 пенсов за тонну воды.