Аква-Терм
веллонс
gekon17

Борьба с хлораминами с помощью бактерицидного УФ-излучения

А.А. Ткачев, заместитель генерального директора по технологии НПО «ЛИТ» (Москва)

Вода, в которой купаются посетители бассейнов, аквапарков и других водных объектов спортивно-развлекательного назначения, должна быть безопасной в эпидемиологическом отношении, безвредной по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими свойствами. Если последнюю группу параметров (таких как запах, цвет, прозрачность, вкус, температура воды) можно оценить субъективно, то микробиологическую безопасность может оценить только специалист.

Обеззараживание воды является обязательным этапом водоподготовки для любого бассейна или аквапарка. Посетители могут привносить с собой в воду разнообразные микроорганизмы, как в составе своих выделений (пот, моча, слюна и др.), так и на коже, например, при несоблюдении правил приема душа перед заходом в воду.  Болеющий посетитель является непосредственным источником болезнетворных микроорганизмов.

В соответствии с современными гигиеническими требованиями, сформулированными в СанПиН 2.1.2.1188‑03 «Плавательные бассейны. Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды. Контроль качества»  и СанПиН 2.1.2.1331-03 «Гигиенические требования к устройству, эксплуатации и качеству воды аквапарков»,  вода в бассейнах рециркуляционного (оборотного) типа должна обязательно подвергаться реагентной обработке для обеззараживания и достижения бактериостатического эффекта. Это обуславливает необходимость добавления в воду различных реагентов-дезинфектантов, которые и обеспечивают защиту от патогенов. Такие реагенты должны отвечать определенным требованиям: быть простыми в применении, активными в малых концентрациях, длительное время сохранять свою активность в воде (обладать пролонгированным эффектом), так как загрязнители постоянно поступают в воду с купающимися.

Исторически широкое распространение среди реагентных методов обеззараживания получило хлорирование (хлором или хлорсодержащим реагентом: диоксидом хлора, гипохлоритом натрия/кальция). Большинство выделений человека (пот, моча) состоят из воды, аммиака и мочевины. Эти вещества при взаимодействии с хлором могут образовывать такие нежелательные продукты, как хлорамины и хлорорганические соединения. Именно хлорамины и несут ответственность за неприятный  «хлорный» запах воды и раздражающее действие на глаза и слизистые оболочки. Это как раз тот параметр качества воды бассейна, который посетители могут оценить самостоятельно и использовать при выборе того или иного бассейна для посещения.

Химия образования и разрушения хлораминов

Хлорамины могут присутствовать в воде плавательных бассейнов как результат реакции между аммонийными соединениями и хлорсодержащими дезинфектантами. Физически хлорамины определяются как связанный хлор, который рассчитывается как разница между измеренным общим и свободным хлором.

Растворенный в воде хлор образует хлорноватистую кислоту (HOCl), вступающую в реакцию с аммиаком, занесенным в воду посетителями, и образует монохлорамин (NH2Cl). Дальнейшие реакции с хлорноватистой кислотой могут привести к образованию ди- и трихлораминов (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема образования хлораминов

Схема образования хлораминов

На возможность образования ди- и трихлораминов существенное влияние оказывает значение pH воды. Если монохлорамины образуются при нейтральных значениях pH, то для образования ди- и трихлораминов требуется значительно более кислая среда (см. табл. 1). Таким образом, если бассейн поддерживается в надлежащем состоянии, то в нейтральной среде будут преобладать монохлорамины.

Таблица 1. Факторы образования хлораминов

Название

Формула

Наличие при значении рН

Монохлорамин

NH2Cl

7

Дихлорамин

NHCl2

от 4 до 7

Трихлорамин

NCl3

от 1 до 3

Российские нормативы регламентируют содержание остаточного связанного хлора не более 1,2 мг/л. Зарубежные требования в большинстве своем более жесткие: в США, Германии, Австрии допустимая концентрация связанного хлора – не более 0,2 мг/л, тогда как в Великобритании и Австралии максимальная концентрация ограничена 1 мг/л. Всемирная организация здравоохранения рекомендует поддерживать связанный хлор ниже 0,2 мг/л, и он должен составлять не более чем половину от общего хлора (Guidelines for safe recreational water environments. Volume 2, Swimming pools and similar environments. World Health Organization. 2006).

Для снижения концентрации хлораминов могут использоваться следующие технологии:

– разбавление;

– сорбция на активированном угле;

– озонирование;

– ультрафиолетовое облучение.

Разбавление является самой простой технологией, но при этом значительно увеличивается расход питьевой воды для подпитки, поэтому этот метод является нежелательным.

Сорбция и озонирование не требуют свежей питьевой воды, но являются достаточно затратными методами по эксплуатационным характеристикам (сорбционный метод подразумевает затраты на замену/регенерацию угля, озонирование – большой расход  электроэнергии).

Ультрафиолетовое облучение является одним из наиболее сбалансированных методов. При УФ-облучении возможно протекание двух процессов, приводящих к снижению хлораминов: прямое разрушение УФ-лучами (фотолиз) связи N-Cl в молекуле хлорамина и образование различных радикалов-окислителей, которые уже в свою очередь разрушают хлорамины.

Для оценки эффективности первого процесса необходимо учитывать кривые поглощения различных хлораминов. Из литературных данных известно, что максимум поглощения, а значит и максимум разрушения, у монохлораминов приходится на длине волны 245 нм, у ди- и трихлораминов – на 297 и 340 нм соответственно. 

При образовании радикалов-окислителей происходит разрушение не только хлораминов, но и различных углеводородных молекул, что приводит к комплексному улучшению качества воды в чаше бассейна.

Дополнительным, но немаловажным эффектом от применения УФ-облучения является тот факт, что ультрафиолет не только позволяет снизить содержание хлораминов, но и обеспечивает обеззараживание воды в отношении всего спектра патогенных микроорганизмов, включая устойчивых к хлорированию вирусов и цист простейших (например, Cryptosporidium и Giardia). Благодаря отличному обеззараживающему  эффекту УФ-излучения снижается и дозировка хлорреагентов. Так, согласно СанПиН 2.1.2.1188-03, при совместном использовании УФ и хлорирования возможна эксплуатация бассейна при концентрации остаточного свободного хлора 0,1–0,3 мг/л в ванне бассейна (при хлорировании без УФ требуется 0,3–0,5 мг/л).

Выбор УФ-системы

УФ-системы можно разделить на два класса в соответствии с типом источника УФ-излучения: это установки на базе ламп низкого (ЛНД) и высокого (ЛВД) давления, в зарубежной литературе называемых лампами среднего давления  (medium pressure lamps).

Одним из принципиальных различий является спектр излучения этих ламп. У ЛВД он весьма широк и составляет от 200 до 400 нм, тогда как ЛНД излучают только на длине волны 254 нм (см. рис. 2). Как было показано выше, у монохлораминов пик поглощения приходится на 245 нм, что очень близко к длине волны 254 нм, характерной для ЛНД. Таким образом, именно лампы низкого давления являются наиболее эффективными для разложения монохлораминов. Необходимо отметить, что согласно химическим уравнениям образования ди- и трихлораминов, приведенным выше, монохлорамины являются их предтечами, а значит снижение концентраций монохлораминов вкупе с поддержанием нейтрального pH воды позволит значительно снизить или исключить образование ди- и трихлораминов.

Рис. 2. Кривые излучения ламп высокого и низкого давления

Кривые излучения ламп высокого и низкого давления

Максимум поглощения ди- и трихлораминов приходится, соответственно, на 297 и 340 нм, но это не означает, что их разрушение происходит только на этих длинах волн. Более короткие волны, например, с длиной волны 254 нм, тоже разрушают эти соединения, но менее эффективно. Но так как КПД (то есть преобразование электрической энергии в УФ-излучение) у ЛНД в три-четыре раза выше, нежели у ЛВД, то это позволяет компенсировать их меньшую эффективность при разложении ди-  и трихлораминов излучением с длиной волны 254 нм.

Также при выборе типа УФ-системы полезно принимать во внимание следующие аспекты эксплуатации различных УФ-систем.

Загрязнение защитных кварцевых чехлов. У ламп высокого давления температура на поверхности работающей лампы составляет порядка 500–800 °С, а на чехле в месте соприкосновения с водой – более 150 °С. Такие высокие температуры приводят к усиленному загрязнению кварцевых чехлов, поэтому при использовании ЛВД необходимо применение автоматической механической очистки кварцевых чехлов, которая значительно удорожает УФ-систему. Для систем на базе ЛНД достаточно периодической химической промывки, осуществляемой при регламентном обслуживании всей системы водоподготовки бассейна.

Устойчивость применяемых конструкционных материалов. Из-за высокой температуры ЛВД при отсутствии или снижении потока воды существует вероятность значительного нагрева или даже вскипания воды внутри реактора. В связи с этим необходимо очень взвешенно подходить к выбору материала трубопровода и учитывать коррозионную активность горячей хлорированной воды.

Энергетическая эффективность. Поскольку затраты на электроэнергию составляют большую часть эксплуатационных расходов, выбор УФ-системы на базе более энергоэффективных ламп низкого давления позволяет существенно экономить.

Снижение свободного хлора. Лампы высокого давления из-за своего широкого спектра излучения могут приводить к разрушению не только хлораминов, но и свободного хлора  (B. Ormeci, G. Ishida, K. Linden. Impact of chlorine and monochloramine on ultraviolet light disinfection. 2014), и применение таких ламп может вести к повышению дозировки хлорреагента.

Определившись с типом источника ультрафиолета, для выбора конкретной модели УФ-системы необходимо учитывать следующие параметры:

– тип бассейна;

– объем бассейна;

– кратность рециркуляции;

– количество посетителей;

– качество воды (коэффициент УФ-пропускания);

– концентрацию связанного хлора (хлораминов).

Первые четыре параметра известны уже на стадии проектирования, но необходимо принимать во внимание и реальные показатели, так как зачастую количество посетителей превышает проектное, это ведет к повышенному загрязнению воды бассейна, что, как мы уже видели, приводит к повышению содержания хлораминов и появлению раздражающих факторов. Особенно это важно для бассейнов аквапарков и джакузи, где нагрузка достаточно высокая.

Коэффициент УФ-пропускания характеризует способность воды пропускать УФ-лучи. Он измеряется в процентах и показывает, какой процент УФ-лучей проходит через слой воды  толщиной 1 см. Для вод бассейнов коэффициент УФ-пропускания обычно достаточно высок и составляет 85–90 %.

При содержании остаточного связанного хлора на уровне 0,6 мг/л требуется не очень высокая УФ-доза для эффективного снижения хлораминов. Если же концентрация связанного остаточного хлора приближается к максимально допустимым значениям, то может потребоваться более высокая УФ-доза (до 90 мДж/см2), а, например, для вод аквариумов или бассейнов с животными применяется доза не менее 120 мДж/см2.

Необходимо также принимать во внимание, что доза должна обеспечиваться за один проход через УФ-установку, так как конструкция большинства бассейнов такова, что для гарантированного прохождения всей воды бассейна через систему водоочистки необходимо порядка четырех циркуляционных циклов.

Для подбора УФ-оборудования для снижения хлораминов рекомендуется привлекать специалистов компаний-производителей УФ-систем, так как они могут в необходимой мере учитывать совокупность всех параметров.

Таким образом, комбинация УФ-облучения с хлорированием в минимальных  нормируемых дозах позволяет как эффективно контролировать содержание хлораминов в воде бассейнов, так и обеспечивать эффективное обеззараживание в отношении хлорустойчивых микроорганизмов (вирусов, простейших). Снижение уровня хлораминов приводит к улучшению условий для посетителей, а следовательно, и к росту привлекательности бассейна.

Применение УФ-систем на базе ламп низкого давления снижает эксплуатационные затраты по сравнению с УФ-системами на лампах высокого (среднего) давления.

Статья из журнала "Аква-Терм", № 4/2017, рубрика "Водоснабжение и водоотведение".




Опубликовано: 30 сентября 2017 г.

вернуться назад

gkh
шидель новый
a-t-2018

Вверх