Промышленная экология. Учебно-методическое пособие

Вещества, обладающие бактерицидным действием, должны отвечать определенным требованиям:

–не делать воду вредной для здоровья;

–не изменять ее органолептических свойств;

–в малых концентрациях и в течение короткого времени контакта оказывать надежное бактерицидное действие;

–быть удобными в применении и безопасными в обращении;

–длительно храниться;

–производство их должно быть дешевым и доступным. Озонирование. Наиболее распространенным химическим мето-

дом обеззараживания воды с использованием соединений кислорода является озонирование. Озон обладает сильным бактерицидным, вирулицидным и спороцидным действием. Благодаря высокому окислительному потенциалу озон вступает во взаимодействие со многими минеральными и органическими веществами, разрушает клеточные мембраны и стенки, окислительно-восстановительную систему бактерий, приводя к инактивации микроорганизмов. Обработка сточных вод озоном на заключительном этапе позволяет получить более высокую степень их очистки, обезвредить различные токсичные соединения. Принципиальные трудности при обеззараживании озоном связаны с образованием токсичных побочных продуктов, низкой растворимостью озона в воде, его собственной высокой токсичностью и взрывоопасностью. Хотя сведения по токсичности продуктов озонирования органических соединений в воде весьма ограничены и противоречивы, так как идентифицирована только небольшая их часть. Озон также проявляет себя и в качестве флокулянта, что позволяет применять его уже на стадии механической обработки воды для коагулирования взвешенных частиц. Но при использовании озона на больших станциях водоподготовки и водоочистки возникают проблемы технического и экономического характера, потребность в больших производственных площадях, высокая энергоемкость процесса, а также значительные затраты на содержание обслуживающего персонала.

Йодирование. Для обеззараживания используется насыщенный водный раствор йода, получаемый пропуском части воды через сатуратор, напоминающий по конструкции проточный солерастворитель Naкатионитовых водоумягчительных установок. Наличие в воде органических веществ, аммиака или аммонийных солей мало снижает

61

бактерицидность йода, так как йод не образует йодаминов и очень медленно реагирует с органическими веществами природных вод.

Бромирование. Бром относится к галогенам и обеспечивает чистоту воды, вступая в реакцию с бактериями и окисляя их. Основными преимуществами данного реагента являются широкий спектр его воздействия на микроорганизмы, вирусы, бактерии, грибки, а также способность удаления из воды органических примесей. Существенным плюсом брома по сравнению с хлором является отсутствие хлорного запаха. Бром намного дороже, чем хлор, а для достижения необходимой концентрации дезинфицирующего раствора требуется большой расход данного реагента. Также бром разлагается под воздействием ультрафиолетовых лучей, что делает невозможным его применение на открытых водоемах и бассейнах, из-за чего он не получил широкого применения.

Обеззараживание воды перманганатом калия. Довольно старый способ обеззараживания воды, практически вышедший из употребления из-за вытеснения его более простыми в применении средствами, а также по причине отнесения перманганата калия к прекурсорам, вследствие чего приобрести его в свободной продаже практически невозможно.

Обеззараживание перекисью водорода. Перекись водорода в присутствии катализатора выделяет атомарный кислород, окислительное действие которого убивает бактерии. Метод обеззараживания основан на этом эффекте, но не получил широкого применения.

Хлорирование. Хлорирование – процесс обеззараживания воды с применением газообразного хлора или хлорсодержащих соединений, вступающих в реакцию с водой или растворенными в ней солями. Наиболее распространено хлорирование воды жидким или газообразным С12, гипохлоритами – NaClO, Са(СlO)2 и оксидами хлора.

При введении хлора в воду образуются хлорноватистая и соляная кислоты:

Сl2 + Н2О = НОСl + НСl

Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты:

НОСl → Н+ + ОСl–

Получающиеся в результате диссоциации хлорноватистой кислоты гипохлоритные ионы ОСl– обладают наряду с недиссоциированными молекулами хлорноватистой кислоты бактерицидным свойством.

62

При использовании хлорной извести в начале протекает следующая реакция:

2CaOСl2 + 2Н2О →CaСl2 + Ca(OH)2 + 2НСlО

При обеззараживании гипохлоритом натрия протекает реакция:

NaСlO + Н2О →NaOH + НСlО

Сумму Сl2+НОСl+ОСl– называют свободным активным хлором. Свою популярность данный способ приобрел благодаря простоте

использования, низкой стоимости, высокой эффективности. Большинство патогенных микроорганизмов, вызывающих различные заболевания, неустойчивы к хлору, который оказывает бактерицидное действие.

При выборе метода хлорирования (обработки воды хлором или другими хлорагентами) необходимо учитывать целевое назначение процесса хлорирования, характер имеющихся в воде загрязнений, особенности колебания состава воды в зависимости от сезона. Особое внимание следует уделить специфическим особенностям технологической схемы очистки воды и оборудования, входящего в состав очистных сооружений.

Расчетная доза хлора при проектировании обеззараживающей установки должна быть принята исходя из необходимости очистки воды в период ее максимального загрязнения (например, в период паводков).

Показателем достаточности принятой дозы хлора служит наличие в воде так называемого остаточного хлора (остающегося в воде от введенной дозы после окисления находящихся в воде веществ). Согласно требованиям ГОСТ 2874-73, концентрация остаточного хлора

вводе перед поступлением ее в сеть должна находиться в пределах 0,3– 0,5 мг/дм3.

Для осветленной речной воды доза хлора обычно колеблется

впределах 1,5–3 мг/дм3; при хлорировании подземных вод доза хлора чаще всего не превышает 1–1,5 мг/дм3. В отдельных случаях может потребоваться увеличение дозы хлора из-за наличия в воде закисного железа. При повышенном содержании в воде гуминовых веществ требуемая доза хлора возрастает.

По целям все методики можно разделить на два больших класса первичное (предварительное хлорирование, предхлорирование) и финишное (окончательное) хлорирование. Первичное хлорирование – введение хлора или хлорсодержащих реагентов в воду проводится максимально близко к источнику забора воды. Финишное или окончательное хлорирование – это процесс обеззараживания воды, проводимый

63

как последняя стадия ее подготовки, т. е. предварительно все загрязняющие вещества уже удалены и хлор расходуется только на обеззараживание.

Хлорирование проводят как небольшими дозами хлора – нормальное хлорирование, так и повышенными дозами – перехлорирование.

Нормальное хлорирование применяют при заборе воды из надежных в санитарном отношении источников. Перехлорирование применяется при заборе воды из источников, характеризующихся большими колебаниями состава, особенно по микробиологическим показателям,

ив том случае, если нормальное хлорирование не дает стабильного бактерицидного эффекта. Также перехлорирование применяют при наличии в воде фенолов, когда нормальное хлорирование приводит только к ухудшению органолептических показателей качества воды.

Избыток хлора устраняют введением аммиака, при этом свободный остаточный хлор превращается в связанный хлораминный (NH2Cl, NHCl2 и др.)

Однако, несмотря на вышеуказанные достоинства, главным недостатком хлорирования является образование хлорорганических соединений, которые обладают высокой токсичностью, мутагенностью

иканцерогенностью, способны аккумулироваться в организмах, в донных отложениях, почве, тканях гидробионтах, вызывать их физиологические изменения и гибель.

Всвязи с вышеизложенным водопроводная вода обязательно контролируется на содержание остаточного хлора, ПДК которого составляет 0,3–0,5 мг/дм3 для свободного остаточного хлора и 0,8– 1,2 мг/дм3 для связанного остаточного хлора.

Лабораторная работа 5 Определение содержания активного хлора в воде

Общий остаточный хлор – это суммарная концентрация всех форм хлорноватистой кислоты, неорганических и органических хлора-

минов (Сl2, HClO, СlO–, NH3nCln, R-NH2nCln).

Остаточный хлор – это часть общего хлора, присутствующего

вводе в виде неорганических и органических хлораминов.

Свободный остаточный хлор – это хлор, присутствующий в воде

вформе растворенного элементарного хлора, хлорноватистой кислоты и гипохлорита.

64

Цель работы: определить содержание остаточного хлора в образцах воды.

Оборудование, материалы и реактивы

Весы аналитические лабораторные, класс точности 1, 2 по ГОСТ 24104.

Бюретка с краном 10, 25 см3по ГОСТ29251.

Колбы стеклянные лабораторные конические номинальной вместимостью 250; 500 см3 типа Кн по ГОСТ 25336.

Палочка стеклянная.

Пипетки мерные вместимостью 1; 10 см3 2-го класса по норма- тивно-техническому документу.

Стакан вместимостью 50 см3 по ГОСТ 25336. Цилиндры вместимостью 100; 250 см3 по ГОСТ 1770. Калий йодистый по ГОСТ 4232, х. ч. в кристаллах. Вода дистиллированная по ГОСТ 6709.

Кислота салициловая по ГОСТ 624. Кислота уксусная ледяная по ГОСТ 61. Калий двухромовокислый по ГОСТ 4220. Кислота серная по ГОСТ 4204.

Кислота соляная по ГОСТ 3118, плотностью 1,19 г/см3. Крахмал растворимый по ГОСТ 10163.

Метиловый оранжевый (пара-диметиламиноазобензолсульфо- кислый натрий) по ТУ 6-09-5171.

Натрий углекислый кристаллический по ГОСТ 84.

Натрий серноватистокислый (тиосульфат натрия) по ГОСТ 27068.

Все реактивы, используемые в анализе, должны быть квалификации «чистые для анализа» (ч. д. а.).

Определение содержания остаточного хлора в питьевой воде

йодометрическим методом основано на способности свободного и связанного активного хлора (в отличие от хлоридного) вытеснять эквивалентное количество I2 из иодида при подкислении пробы воды:

Сl2 + 2I– = I2 + 2Cl–

СlO– + 2Н+ + 2I– = I2 + Cl– + H2O

HClO + 2I– + H+ = I2 + Cl– + H2O NH2Cl + 2H+ + 2I– = I2 + NH4+ + Cl–

65

Выделившийся йод оттитровывают рабочим раствором тиосульфата натрия в присутствии индикатора – крахмала:

2Na2S3O3 + I2 = Na2S4O6 + 2NaI

Ход работы

1.Взять коническую колбу вместимостью 500 см3.

2.Взвесить 0,5 г йодида калия в колбе.

3.Добавить в колбу 2 см3дистиллированной воды, растворяя калия йодид.

4.Добавить 0,2 см3 ацетатного буферного раствора с рН = 4,5.

5.Отобрать цилиндром 250 см3 исследуемой воды.

6.Перелить воду в коническую колбу.

7.Добавить 15–20 капель крахмала.

8.Налить в бюретку раствор тиосульфата натрия с концентрацией 0,005 М, используя воронку.

9.Установить бюретку на нулевое деление.

10.Оттитровать полученный раствор 0,005 М раствором тиосульфата натрия до исчезновения окраски.

Определение свободного остаточного хлора основано на спо-

собности элементарного хлора, хлорноватистой кислоты и гипохлорита окислять метиловый оранжевый, который при подкислении обесцвечивается.

Ход работы

1.Отобрать 100 см3 исследуемой воды.

2.Перелить в коническую колбу вместимостью 250 см3.

3.Добавить 2–3 капли 5 М раствора соляной кислоты.

4.Налить в бюретку раствор метилового оранжевого с концентрацией 0,005 %, используя воронку.

5.Установить бюретку на нулевое деление.

6.Оттитровать полученный раствор 0,005 % раствором метилового оранжевого до неисчезающей в течение 30 с розовой окраски.

66

Обработка и оформление результатов

Содержание общего остаточного хлора (X), мг/дм3, вычисляют по формуле (4.1) и заносят в табл. 4.2:

(содержание свободного активного хлора, мг, соответствующее 1 см3 0,005 % раствора метилового оранжевого).

Содержание связанного (активного) остаточного хлора рассчи-

где Х2 – концентрация связанного (активного) остаточного хлора, мг/дм3.

ствие концентраций свободного и связанного остаточного хлора в

67

исследуемых пробах воды соответствующим ПДК в водопроводной воде, а также возможные причины их отклонения.

Контрольные вопросы

1.Объясните необходимость проведения обеззараживания.

2.В чем состоят сущность, достоинства и недостатки ультразвукового метода обеззараживания воды?

3.Объясните сущность, достоинства и недостатки ультрафиолетового метода обеззараживания воды.

4.Поясните сущность, достоинства и недостатки термического метода обеззараживания воды.

5.В чем заключаются сущность обратного осмоса, его недостатки и достоинства?

6.Что такое обеззараживание методом серебрения? Достоинства

инедостатки.

7.Каков принцип действия электрокоагуляционного метода обеззараживания. Его достоинства и недостатки.

8.Объясните сущность, достоинства и недостатки озонирования как метода обеззараживания воды.

9.Поясните сущность химических методов обеззараживания воды (йодирование, бромирование, обработка перманганатом калия, перекисью водорода).

10.Назовите основные принципы выбора реагента для обеззараживания воды.

11.Назовите основные реагенты, применяемые для хлорирования. Приведите реакции.

12.Назовите два основных этапа хлорирования.

13.Назовите отличия нормального хлорирования от перехлори-

рования.

14.Поясните понятия и приведите наименования соединений общего остаточного хлора, свободного остаточного хлора, связанного (активного) остаточного хлора. Приведите их ПДК.

15.Опишите сущность метода определения содержания остаточного хлора. Приведите реакции.

16.Опишите сущность метода определения свободного остаточного хлора

68

4 . 3 . Д е х л о р и р о в а н и е в о д ы

Дехлорирование воды – это процесс удаления из воды избытка свободного хлора (до нормативных параметров – ПДК). Для его осуществления используются химические методы (восстановление хлора

вхлориды каким-либо восстановителем) и физические методы (сорбция хлора активным углем или удаление хлора аэрацией).

Простые способы очистки воды:

1.Слив застоявшейся воды. Воду для питья лучше набирать впрок в количестве 5–10 дм3 вечером, в период максимального водозабора, когда вода не застаивается в трубах.

2.Отстаивание воды. Отстаивание используют для удаления из воды хлора. Как правило, для этого водопроводную воду наливают

вбольшую емкость и оставляют в ней на несколько часов. Без перемешивания воды в ведре удаление газообразного хлора происходит примерно с 1/3 глубины от поверхности воды. Эффективность данного способа очистки воды низкая, хотя не требует затрат электрической энергии.

3.Кипячение воды. При кипячении воды удаляется только газообразный хлор. В лабораторных исследованиях был подтвержден тот факт, что после кипячения водопроводной воды образуется дополнительный хлороформ, даже если перед кипячением воды была освобождена от хлороформа продувкой инертным газом.

4.Замораживание–оттаивание. Данный способ применяют для эффективной очистки воды с помощью ее перекристаллизации. Техника получения талой воды заключается в различных скоростях замерзания чистой воды и воды, содержащей примеси. Этот способ намного эффективнее кипячения и даже перегонки, поскольку фенол, хлорфенолы и легкая хлорорганика перегоняются вместе с водяным паром.

5.Аэрация. При небольшом избытке хлора используется безнапорная аэрация. Сточные воды аэрируются путем барботирования сжатым воздухом или путем их пропускания через аэрационную башню. Процесс аэрирования позволяет не только снизить концентрацию активного хлора, но и уменьшить содержание в сточных водах легколетучей хлорорганики. Неблагоприятным обстоятельством при этом является загрязнение атмосферы.

Дехлорирование воды химическими методами. При химической обработке сточных вод, содержащих остаточные концентрации активного хлора в качестве реагентов-восстановителей, как правило,

69

используются соединения серы. Химические соединения серы активно вступают в реакцию с остаточным хлором, разрушая свободный хлор, а после этого и хлорамины.

Сl2 + SO2 + 2Н2O → 2НСl + H2SO4

Естественная щелочность воды нейтрализует серную и соляную кислоты, образующиеся в результате реакции.

Если ввести в воду сульфит натрия вместо сернистого газа,

Сl2 + Na2SO3 + Н2O → 2НСl + Na2SO4

то происходит образование сульфата натрия и соляной кислоты. В результате дехлорирования воды тиосульфатом натрия

4Сl2 + Na2S2O3 + 5H2O → 2NaCl + 6НСl + 2H2SO4

образуются серная и соляная кислоты, поваренная соль.

При избытке тиосульфата натрия протекает следующая реакция:

Сl2 + 2Na2S2O3 → 2NaCl + Na2S4O6

При недостатке тиосульфата натрия протекает следующая реакция:

Сl2 + Na2S2O3 + H2O → Na2SO4 +2НСl + S

Величина теоретической дозы серосодержащего реагента-восста- новителя зависит от его химического состава и уровня рН сточных вод. Так, при рН=6,5 для удаления из сточных вод 1 мг активного хлора необходимо использовать: 0,91 мг диоксида серы (SO2); 1,61 мг бисульфита натрия (NaHSO3); 2,23 мг гипосульфита натрия (Na2S2O3); 1,61 мг сульфита натрия (Na2SO3). Для конкретных сточных вод реальная величина дозы дехлорирующего реагента должна уточняться в процессе пробного дехлорирования, поскольку в них могут содержаться химические соединения, способные конкурировать с активным хлором при взаимодействии с реагентами-восстановителями.

При выборе дехлорирующего реагента учитываются многие факторы, в частности: цена реагента, срок и условия его хранения, расходы на транспортировку и. т. д.

После введения в сточные воды дехлорирующего реагента следует обеспечить необходимую продолжительность контакта.

При использовании диоксида серы или сульфата натрия продолжительность контакта с дехлорирующим реагентом должна быть не менее 2 мин, при использовании гипосульфита натрия продолжительность контакта должна быть не менее 30 мин.

Для введения дехлорирующих реагентов в сточные воды, прошедшие процесс хлорирования, может быть использовано стандартное оборудование, применяемое при реагентном обеззараживании.

70