В существующей практике обеззараживания пить­евой воды хлорирование используется наиболее часто как наиболее экономичный и эффективный метод в сравнении с любыми другими известными методами. В США 98,6 % воды (подавляющее количество) под­вергается хлорированию. Аналогичная картина имеет место и в России, и в других странах, т. е. в мире в 99 из 100 случаев для дезинфекции используют либо чис­тый хлор, либо хлорсодержащие продукты. На рис. 2 отражены объемы потребления хлора для дезинфекции воды в России и США.

               Рис. 2 Объем потребления хлора для дезинфекции воды в США и России (тыс. тонн / год)

Обеззараживание воды осуществляется при помощи добавления в воду различных химических веществ или проведения специальных мероприятий. Использование химических дезинфицирующих средств при обработке воды обычно вызывает образование химических побочных продуктов. Однако риск для здоровья от этих побочных продуктов чрезвычайно низок по сравнению с риском, связанным с вредоносными микроорганизмами развивающимися в воде вследствие неадекватной дезинфекции.

Минздравом разрешено применение более 200 средств для дезинфекции и стерилизации. Однако рассматривать их все нет необходимости, так как многие из них по тем или иным причинам не применимы для водоснабжения. Остановимся только на основных дезинфектантах, применяемых в страна СНГ и за рубежом. Все технологические схемы очистки и обеззараживания воды (старые и новые) должны опираться на основные критерии, предъявляемые к качеству питьевой воды: питьевая вода должна быть безопасна в эпидемиологическом отношении, безвредна по химическому составу и обладать благоприятными органолептическими (вкусовыми) свойствами. Эти критерии и лежат в основе нормативных актов всех стран, (СанПиН 2.14.1074–01). Причем, эти документы учитывают тот факт, что опасность заболеваний человека от микробиологического загрязнения воды во много тысяч раз выше, чем при загрязнении воды химическими соединениями различной природы. 

Такая популярность хлорирования связана и с тем, что это единственный способ, обеспечивающий микро- биологическую безопасность воды в любой точке распределительной сети в любой момент времени благодаря эффекту последействия. Этот эффект заключается в том, что после совершения действия по внедрению молекул хлора в воду («последействие») последние сохраняют свою активность по отношению к микробам и угнетают их ферментные системы на всем пути следования воды по водопроводным сетям от объекта водоподготовки (водозабора) до каждого потребителя. Подчеркнем, что эффект последействия присущ только хлору. Учитывая состояние наших водопроводных сетей, забывать о присутствии в них микробов «смерти подобно».

Кроме главной функции — дезинфекции, благодаря уникальным окислительным свойствам и эффекту последействия хлор служит и другим целям — контролю за вкусовыми качествами и запахом воды, предотвращению роста водорослей, поддержанию в чистоте фильтров, удалению железа и марганца, разрушению сероводорода, обесцвечиванию воды и т. п. В этом смысле ни одно из альтернативных хлору средств не может сравниться с ним по универсальности и простоте применения. В последнее десятилетие в странах СНГ наблюдается повышенный интерес к объектам водоподготовки с точки зрения лоббирования корпоративных бизнес-интересов. Причем эти обсуждения обосновываются благими намерениями обеспечить граждан качественной водой. Принимаемые или лоббируемые чиновниками решения противоречат научным данным и мировому опыту. Их высказывания часто сопровождаются такими «глубокомысленными» высказываниями как: «Хлорирование — это очень плохо», «Уже нигде  воду не хлорируют», «Ну хлор — это уже почти прошлый век, сейчас есть новые технологии, которые позволяют отказаться от хлора. Применение хлора — губительно. Необходимо применять нанотехнологии». Основываясь на таких псевдонаучных утверждениях, в странах СНГ принята программа «Антихлор» как составная часть общенациональной программы «Чистая вода», на основе которой осваиваются огромные средства для бессмысленного внедрения якобы альтернативных технологий. Под рассуждения крупных чиновников о необходимости потребления чистой воды производится попытка внедрения бессмысленных и необоснованных новаций в нарушение апробированных технологий и СанПиН 2.14.1074–01, который отвечает самым высоким мировым требованиям.

А лето 2009 года началось с энтеровирусной инфекции со смертельными исходами, и совершенно очевидно для специалистов, что причины всех энтеровирусных инфекций — антисанитария и некачественная питьевая вода. При этом безграмотные чиновники и некоторые безответственные проектировщики продолжают в угоду принятой программе утверждать об исключении хлора, как дезинфектанта из технологического процесса водоподготовки. Предлагается питьевую воду обеззараживать озоном и гипохлоритом, а сточную воду достаточно подвергать ультрафиолетовому облучению. Такая «живая» вода и является источником бесконечных вспышек инфекций. Некоторые пошли еще дальше, предполагая вместо приведения в порядок водопроводного хозяйства внедрять практически бесполезные при централизованном водоснабжении фильтры (в частности фильтры Петрика).

А не пора ли остановиться и трезво (научно обоснованно) взглянуть на проблему, развеять заблуждения чиновников, от решения которых зависит здоровье нации? Недостатки и достоинства наиболее широко при- меняемых альтернативных методов обеззараживания — озонирование и УФ-облучения хорошо изучены. Основным недостатком этих методов, определяющим их место в технологии обеззараживания, является отсутствие эффекта обеззараживающего последействия. Поэтому эти методы используются на первичном (предварительном) этапе обеззараживания, что позволяет уменьшить дозу применяемого хлора. Однако перед подачей воды в распределительные сети обязательно хлорирование, поскольку оно является единственным способом, обеспечивающим микробиологическую безопасность воды в любой точке распределительной сети благодаря эффекту последействия. Другое направление модернизации станций водоподготовки, позволяющее уменьшить дозу хлора, связано с заменой существующих технологий первой ступени на мембранные фильтры, позволяющие производить очистку воды до уровня дистиллированной. Однако вторая ступень водоподготовки (обеззараживание) остается неизменной в силу причин описанных выше. Обеззараживание поступающей в резервуары чистой воды на этой станции производится диоксидом хлора, так как распределительная сеть должна постоянно поддерживаться в обеззараженном состоянии во избежание ее необратимого обрастания и заражения. Стоимость воды при таком подходе к водоподготовке увеличивается в 4–6 раз по сравнению с традиционными схемами подготовки. Рассмотрим с точки зрения безопасности применение озонирования и УФ-облучения. Несмотря на отечественный и зарубежный опыт применения озона в технологии водоподготовки, есть еще множество нерешенных проблем. Очень часто озонирование называют экологически чистым способом обеззараживания. Не понятно только, что послужило основанием такого определения. Последние исследования показали, что мнение об озонировании как о более безвредном способе обеззараживания воды ошибочно. Так, продукты реакции озона с содержащимися в воде органическими веществами представляют собой альдегиды (формальдегид, ацетальдегид, глиоксаль, метилглиоксаль), кетоны, карбоновые кислоты и другие соединения, присутствие которых создает ряд дополнительных проблем в процессе водоподготовки, в том числе альдегиды увеличивают опасность образования хлорорганических побочных продуктов. Кроме того, как следует из опыта применения озона на Москводоканале, применение озона не только дорого, но и не позволило исключить даже предварительное хлорирование из-за ненадежности очистки воды от гидробионтов,выявилась также негативная тенденция увеличения численности зоопланктона в воде, обработанной озоном.

Применение другого альтернативного дезинфектанта — УФ-облучения позволяет избавиться от побочных продуктов обеззараживания, что является его несомненным достоинством. Но на сегодня его промышленное применение осложняется отсутствием возможности оперативного контроля эффективности обеззараживания воды. В соответствующих методических руководствах указывается на возможность применения УФ- облучения на этапе первичного обеззараживания воды при условии проведения на источнике водоснабжения технологических исследований. Вместе с тем в методических указаниях отмечается, что УФ-облучение обеспечивает заданный бактерицидный и вирулицидный эффект лишь при соблюдении всех установленных эксплуатационных условий. Одним из важнейших вопросов применения этого метода является создание гарантий пропуска всей обеззараживаемой воды через установку, т. е. производительность установки должна быть равна производительности водопроводной станции. Одним из важнейших вопросов применения этого метода является создание гарантий его надежности. С этой целью система должна быть снабжена датчиками измерения интенсивности УФ-облучения в камере обеззараживания, системой автоматики, гарантирующей звуковой и световой сигналы при снижении минимально заданной дозы, счетчиков времени наработки ламп и индикаторов их исправности для своевременной очистки при обрастании или замены.

Понимая необходимость использования хлора на одной из стадий водоподготовки, эксплуатационщики используют программу «Антихлор» для замены газообразного хлора на гипохлорит. Предполагается, что переход на гипохлорит натрия позволит ликвидировать высокотоксичное хлорное хозяйство, обеспечивая при этом экологическую и технологическую безопасность при водоподготовке. Ошибочно полагая, что эффективность обеззараживания водопроводной воды при этом сохраняется на прежнем уровне, производятся затраты, ухудшающие качество питьевой воды.

Общеизвестно, что качество обеззараживания воды хлорсодержащими реагентами зависит от значения водородного показателя рН, так как именно значение рН воды определяет формы соединений хлора в воде и их активность (рис. 3).

При низких значениях рН (от 0 до 3) преобладает молекулярный хлор Cl2 и в верхней половине этого диапазона начинает образовываться, хлорноватистая кислота НСlO, возрастая количественно так, что уже в диапазоне значений рН от 3 до 6 в воде присутствует только хлорноватистая кислота НСlO. А далее (рН>6) хлорноватистая кислота распадается на ионы Н+ и ClO –. Так, например, при рН = 6 доля HСlO составляет 97 %, а доля ClO – — 3 %. При рН = 7 доля HСlO составляет 78 %, а ClO – — 22 %, при рН = 8 доля HСlO — 24 %, ClO – — 76 %. А при рН>9 HСlO переходит полностью в гипохлорит-ион ClO –. Таким образом из диаграммы на рис. 1 следует, что в зависимости от значения рН воды существуют зоны стабильности хлор-реагентов в воде: зона Cl2 , зона HСlO, зона ClO –, в которых не проявляется их активность, и зоны нестабильности: зона Cl2 — HСlO (рН=1,5–3,5), зона HСlO — ClO – (рН=6–9). Так как рН воды поверхностных источников составляет 6,5–8,5, то вторая зона нестабильности должна быть предметом нашего внимания, так как именно в этой зоне проявляется высокая бактерицидная активность, причем наивысшая бактерицидная активность кислородных соединений хлора проявляется в диапазоне рН от 7,0 до 7,5, где концентрации гипохлорит-ионов и хлорноватистой кислоты сопоставимы.

Объясняется данный факт тем, что указанные соединения, являясь сопряженными кислотой и основанием (HClO + H2 O → H3 O+ + ClO –; ClO – + H2 O → HClO + OH –), образуют в указанном диапазоне значений рН метастабильную систему, способную генерировать ряд соединений и частиц, обладающих гораздо большим антимикробным действием, нежели хлорноватистая кислота: 1 О2 — синглетный молекулярный кислород; ClO* — гипохлорит-радикал; Cl* — хлор-радикал (атомарный хлор); O* — атомарный кислород; ОН* — ради- кал гидроксида. Катализаторами реакций с участием хлор-кислородных соединений являются ионы H+ и OH– , существующие в воде также приблизительно в равном количестве при значениях рН, близких к нейтральному , равному 7–7,5 (попутно для будущих исследований и утверждений отметим, что среднее значение рН крови составляет 7,36, а весь диапазон возможных значений рН крови настолько узок, что гарантированно входит в центральную часть этой метастабильной зоны). Из сопоставления химизма растворения хлора и гипохлорита в воде следует, что, по крайней мере, некорректно называть замену газообразного хлора на гипохлорит программой «Антихлор» и тем самым вводить в заблуждение потребителей питьевой воды. При этом везде, где внедряется эта программа, декларируется безопасная технология и отсутствие последствий, связанных с применением хлора. Однако это мнение ошибочно как в смысле технической, так и эпидемиологической безопасности.

Гипохлорит имеет щелочной характер и его ввод в обрабатываемую воду приводит, с одной стороны, к повышению уровня рН, хотя и незначительному, а с другой – нарушается химическое равновесие в питьевой воде, а на процесс его восстановления с учетом внесенных изменений затрачивается от нескольких часов до нескольких десятков часов, поскольку в таких системах (сверхразбавленные растворы) скорость процессов в большей степени определяется известным принципом Ле Шателье , т.е. гипохлоритные ионы все это время будут медлить переходить в активную форму, что весьма негативно будет сказываться на обеззараживании воды. А что же с хлором? Технология ввода хлора в питьевую воду следующая: сначала на питьевой воде, взятой из водовода, как основе готовится хлорная вода путем ввода в нее газообразного хлора, а затем хлорная вода вводится в тот же водовод. Практически нарушения химического равновесия и значения рН не происходит, а значит качество обеззараживания воды при его применении гарантированно. Это первое преимущество хлора перед гипохлоритом.

Анализ работ позволяет сделать выводы, что гипохлорит натрия обладает существенно меньшей бактерицидной активностью, нежели хлорноватистая кислота, концентрация которой максимальна при растворении хлора в воде. Из приведенных на диаграмме (рис. 4) данных видно, что для достижения одинакового эффекта обеззараживания питьевой воды хлорноватистой кислотой, гипохлоритом натрия и хлорамином при одной и той же концентрации активного хлора, например, 0,1 мг/л, упомянутым реагентам требуется время менее 2 минут, более 100 минут и около 500 минут соответственно. Это — второе преимущество хлора.

Санитарно-микробиологические исследования, проведенные в 2002 г. Институтом медико- экологических проблем и оценки риска здоровью (г. Санкт-Петербург), выявили недостатки гипохлорита с позиции функциональной эффективности и экологической чистоты. Оказалось, что раствор хлора в воде в несколько десятков раз эффективнее гипохлорита по остаточному количеству бактерий. Кроме того, гипохлорит неэффективен против цист, что ограничивает его применение на протяженных водопроводных сетях. Это — третье преимущество хлора.

Дискуссии о дезинфицирующей способности гипохлорита уже давно завершены врачами-эпидемиологами, и их выводы изложены в практическом руководстве, где указано, что гипохлорит натрия, полученный химическим и электрохимическим путем (неважно, каким) неэффективен против споровых форм микроорганизмов. Это — четвертое преимущество хлора.

Кроме того, хорошо и давно известно, что гипохлорит натрия не в состоянии обеспечить удаление биопленок с поверхности трубопроводов, которые благоприятны для развития микроорганизмов и вторичного загрязнения воды. Это — пятое преимущество хлора.

Существенно и то, что замена газообразного хлора гипохлоритом натрия или кальция для дезинфекции воды вместо молекулярного хлора не снижает, а значительно увеличивает вероятность образования тригалометанов (ТГМ), что ухудшает качество воды, связанное с тем, что при применении гипохлорита увеличивается рН и процесс образования ТГМ растягивается во времени до нескольких часов, а их количество при прочих равных условиях тем больше, чем больше рН. Это обусловлено тем, что малоактивные гипохлоритионы не в состоянии быстро окислить наиболее реакционно способные части молекул гумусовых веществ и потому реагируют с ними с образованием тригалометанов . Это — шестое преимущество хлора.

Сравнение эксплутационных затрат систем обеззараживания хлором и гипохлоритом, а также затрат на их внедрение явно не в пользу гипохлорита (и это — седьмое).

Время хранения гипохлорита ограничено из-за его разложения, что также удорожает логистику его использования. На рис. 5 представлена зависимость скорости распада раствора гипохлорита различной концентрации в зависимости от температуры хранения.

Рис. 5 Потеря активности гипохлорита натрия в зависимости от начальной концентрации, времени и температуры хранения.

Таким образом, при замене хлора на гипохлорит, с одной стороны, ухудшается качество воды по химическому составу и ухудшаются бактериологические показатели воды, а с другой — себестоимость водоподготовки увеличивается.

Рассмотрим технические аспекты проблем, возникающих при использовании гипохлорита натрия на объектах водоподготовки, основываясь на данные, накопленные как наукой, так и опытом использования его в зарубежных странах. Очень часто для обоснования перехода на гипохлорит натрия декларируется безопасная технология и отсутствие последствий, связанных с применением хлора. Однако это мнение ошибочно как в смысле технической, так и эпидемиологической безопасности. Из года в год растет число происшествий при применении, хранении и перевозке гипохлорита, и если общее число аварий в 1996 году при применении хлора и гипохлорита мало отличалось, то к 1998 году число происшествий с гипохлоритом возросло вдвое. Опыт использования гипохлорита в зарубежных странах показал, что аварийность на объектах, где он используется, растет опережающими темпами на всех этапах технологического процесса — от процесса производства до его использования. Это — восьмое преимущество хлора.

С одной стороны, дело в том, что потенциальной опасностью гипохлорита является его полная несовместимость с кислотами, так как при рН < 5 равновесие реакции гидролиза NaClO смещается в сторону выделения молекулярного Cl2 . Поэтому наиболее крупные аварии случаются при смешивании гипохлорита с кислотами, что приводит к выбросу газообразного облака хлора. При этом следует учесть, что выделяется в таких случаях влажный хлор, который при проникновении в легкие не вызывает болевых ощущений, поэтому наиболее опасен и приводит к большим жертвам. С другой стороны, это постоянные газовыделения в ходе естественного разложения гипохлорита (см. рис. 5). Поэтому в случаях, когда гипохлорит оказывался между двумя закрытыми запорными устройствами, наблюдались взрывы шаровых клапанов, фильтров, и других устройств. Причем, в составе выделяемого газа содержится и хлор, поэтому помещения насосных, туннелей, фильтровальных установок и других аналогичных пространств потребовалось оснастить системами очистки воздуха, причем такими, которые обеспечивают нейтрализацию выделяющегося хлора, т. е. в соответствии с «Правилами безопасности при производстве, хранении, транспортировании и применении хлора» ПБ 09–594–03, п. 5.11 «Помещения, где возможно выделение хлора, должны быть оснащены автоматическими системами обнаружения и контроля содержания хлора.

При превышении предельно допустимой концентрации хлора (ПДК) равной 1 мг / м3 должна включаться световая и звуковая сигнализация и аварийная вентиляция, сблокированная с системой аварийного поглощения. При использовании системы абсорбционного метода улавливания аварийных выбросов по сигналу датчика наличия хлора должны включаться насосы для подачи нейтрализующего раствора на орошение санитарной колонны, и затем аварийная вентиляция с запаздыванием на время необходимое для подачи орошающего раствора в санитарную колонну. При использовании двухпорогового газоанализатора хлора при превышении концентрации хлора 1 ПДК должны включаться световая и звуковая сигнализации, а при превышении 20 ПДК — аварийная вентиляция, сблокированная с системой аварийного поглощения». Возникают проблемы и с подбором оборудования, и с его эксплуатацией в среде растворов гипохлорита, обладающих очень высокой коррозионной активностью. При использовании вместо газообразного хлора гипохлорита натрия в процессе ввода этого реактива в систему трубопроводов для его разбавления там образуется осадок, состоящий из гидроксида магния и диоксида кремния, забивающий водные каналы, поэтому требуются дополнительные мероприятия и по предотвращению кальцинации арматуры, особенно точек ввода — инжекторов и диффузоров. Подобных примеров можно привести множество. И из всего сказанного выше следует, что применение раствора гипохлорита вне зависимости от способа его получения (промышленный или на локальных установках) в сравнении с хлором не только не снижает опасность происшествий и аварий на производственных объектах водоподготовки, но и способствует интенсивному разрушающему воздействию на технологическое оборудование, способствуя досрочному выходу его из строя. Это — девятое преимущество хлора.

Своевременным является решение, вынесенное на совещании Ростехнадзора по теме: «Состояние и перспективы развития хлориспользующих объектов систем водоподготовки ЖКХ» в апреле 2008 года, в котором отмечается, что объекты, на которых применяются привозные или произведенные на месте гипохлорит натрия, двуокись хлора и озон, являются опасными и к ним применяются требования Федерального закона № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов», что получило отражение в новой редакции закона от 30.12.2008 года № 313-ФЗ. Таким образом, переход на гипохлорит натрия по принципу безопасности ошибочен. Это относится как к концентрированному гипохлориту натрия марки А с содержанием активной части 190 г/л, полученному промышленным способом, так и к низкоконцентрированному гипохлориту марки Э с содержанием активной части около 6 г/л, производимому на месте его использования. Согласно классификации ООН, гипохлорит натрия классифицирован как коррозионный — класс 8, № ООН -1791, группа опасности для хранения — PG II или PG III в зависимости от концентрации и по существующим «Инструкциям опасных товаров», хранение гипохлорита натрия в количестве более 250 литров тре- бует оформления лицензии (лицензирование для разъ- едающих веществ и ядов). Требования безопасности при производстве хлора методом электролиза изложены в главе III ПБ 09-594-03. Технология получения хлора должна исключать возможность образования взрывоопасных хлороводородных смесей в технологическом оборудовании и коммуникациях при регламентных режимах работы. Однако, рассматривая схему работы электролизера, производящего низкоконцентрированный раствор гипохлорита натрия из раствора поваренной соли в проточном электрохимическом реакторе, следует отметить, что в емкости с готовым раствором гипохлорита образуется не чистый водород, а взрывоопасная смесь, состоящая из водорода, кислорода и хлора. Только вентиляция взрывоопасных электролизных газов приводит к бесконтрольному рассеванию в атмосфере хлора, что не допустимо и поэтому применение на объекте электролизеров должно предусматривать устройство нейтрализации выбросов хлора. Таким образом, объекты, на которых применяется, хранится, перерабатывается и т. д. гипохлорит натрия, относятся к категории химически опасных объектов, которые в установленном порядке подлежат регистрации в госреестре опасных производственных объектов. На этой десятой позиции хлор и гипохлорит равны.

Поскольку объекты, использующие газообразный хлор, всегда входили в категорию опасных производственных объектов и находились под контролем Гостехнадзора , поэтому они, как правило, соответствуют требованиям Федерального закона № 116-ФЗ. Отечественная промышленность производит полный перечень оборудования, применяемого на объектах водоподготовки при обеззараживании хлором, с Раз- решением на применение на опасных производственных объектах. Налажена система обучения и повышение квалификации специалистов. Задача сводится лишь к про- ведению регламентных работ, замене морально устаревшего оборудования, внедрению систем автоматизации, ограничивающих человеческий фактор, являющийся основным при анализе аварийных ситуаций.