Эффективное обеззараживание сточных вод и коронавирус SARS-CoV-2

Рис. 1 Забор проб для исследования канализационных стоков на присутствие коронавируса

Присутствие коронавируса SARS-CoV-2 в сточных водах сегодня не вызывает сомнений. РНК возбудителя COVID-19 была обнаружена в бытовых стоках учеными нескольких стран (рис. 1), в частности, Израиля и Италии. Учёные из Китая обнаружили способный к заражению вирус в фекалиях больного COVID-19. Учитывая достаточно высокую контагиозность данного вируса, а также его длительную (2-3 дня) способность оставаться опасным для человека, находясь в водной среде, присутствие SARS-CoV-2 в сточных водах создаёт серьёзную потенциальную угрозу распространения заболевания. В связи с этим вопрос тщательной и эффективной дезинфекции сточных вод стал сегодня особенно актуальным.

Фекально-оральный путь распространения возбудителя COVID-19 – один из возможных, наряду с воздушно-капельным. Заражение человека может произойти, например, при купании в водоёме, в который попали недостаточно обеззараженные от SARS-CoV-2 сточные воды. При этом обеззараживание является обязательной стадией процедуры очистки сточных вод, регламентированной в России нормативными документами – СП 32.13330.2012 «Канализация. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.03-85». Из известных методов обеззараживания сточных вод сегодня наиболее широко применяются:

– обработка хлорсодержащими реагентами (жидкий хлор, хлор-газ, гипохлорит, диоксид хлора);

– озонирование;

– обработка водной среды жестким ультрафиолетовым (УФ) излучением.

Все эти методы имеют свои достоинства и недостатки, а также несколько различаются по эффективности уничтожения различных групп микроорганизмов.

Хлорсодержащие реагенты

Хлорирование – традиционный и достаточно экономичный метод обеззараживания. Он заключается в добавлении в воду химических реагентов, содержащих активный хлор. Наиболее часто для обеззараживания питьевой водопроводной воды и канализационных стоков сегодня используются газообразный хлор (Сl2 ), диоксид хлора (ClО₂ ) и гипохлорит натрия (NaClO).

Обработка воды газообразным хлором эффективна по отношению к большинству болезнетворных бактерий. Но серьёзным недостатком этого метода является опасность хлора для организма человека. Использование Сl2 требует не только соблюдения строгих норм безопасности в процессе обработки воды, но и создания специально оборудованных хранилищ реагента, если газообразный хлор получают из жидкого, доставляемого к месту применения в баллонах или цистернах под высоким давлением. При снижении давления жидкий хлор переходит в хорошо растворимый в воде газообразный. Если же газообразный хлор производится на месте применения с помощью электролиза, всё равно требуется место и для его производства, и для хранения исходных реагентов. В любом случае хранение, использование и транспортировка хлора требуют соблюдения специальных мер безопасности из-за высокой токсичности этого реагента. Растворенный молекулярный хлор взаимодействует с водой с образованием гидрохлорида и хлорноватистой кислоты (1), которая диссоциирует с образованием гипохлоритиона (2):

Сl₂+ Н₂О= НСl + НОСl (1) НОСl = Н+ + OСlˉ (2)

Обеззараживающее действие оказывают гипохлоритион (ОСl- ) и недиссоциированная хлорноватистая кислота (НОСl). В процессе обеззараживания в воде протекают реакции окисления органических соединений, как входящих в структуру микроорганизмов, так и присутствующих в свободном состоянии. С одной стороны это способствует очистке воды, с другой, в результате ряда реакций образуются токсичные вещества, несущие опасность для здоровья не только человека, но и, например, фауны водоёмов, куда может осуществляться сброс сточных вод. Это так называемые хлорорганические соединения, обладающие также мутагенностью и канцерогенностью, то есть способностью вызывать мутации в генетическом аппарате клеток живых организмов и приводить к развитию онкологических заболеваний. Несмотря на такие недостатки, метод хлорирования широко применяется благодаря его высокой эффективности в отношении большинства болезнетворных микроорганизмов, присутствующих в воде, и за счет пролонгированного эффекта последействия обработки хлором. Сохраняющаяся в воде остаточная концентрация хлора препятствует вторичному заражению воды. Однако существуют и резистентные штаммы бактерий – не чувствительные к обработке хлором в допустимых для обеззараживания воды концентрациях. Известны хлорустойчивые штаммы таких условно патогенных и патогенных бактерий как E.coli, Klebsiellae, Рrоtеае, которые обычно присутствуют в муниципальных сетях водоснабжения и водоотведения. Согласно СанПиН 2.1.20.12-33-2005 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод от загрязнения» сточные воды, сбрасываемые в водоёмы, содержащие возбудителей инфекционных заболеваний бактериальной, вирусной и паразитарной природы, опасные по эпидемическому критерию, должны быть обеззаражены, а количество остаточного хлора в них не должно превышать 1,5 мг/дм3. Однако хлорирование при такой дозе остаточного хлора не обеспечивает необходимой эпидемической безопасности в отношении цист простейших, лямблий и вирусов. Последнее особенно значимо с точки зрения устранения опасности распространения возбудителя COVID-19. Кроме того, на активность хлора сильно влияет кислотность воды, с повышением pH бактерицидный эффект уменьшается. Эффективность хлорирования в большой мере зависит от первоначального количества микроорганизмов в исходной воде. Снижается эффективность обеззараживания в присутствии способных к окислению органических, а также взвешенных веществ, затрудняющих контакт обеззараживающего агента с бактериями. Эффективность хлорирования во многом зависит от качества предыдущей стадии водоподготовки. Активным началом бактерицидного действия гипохлорита натрия также является гипохлорит ион. Применение NaClO для обеззараживания воды менее опасно в обслуживании, чем обработка газообразным хлором и не требует сложных технологических решений. Однако используемые при этом устройства более громоздкие, что связано с необходимостью хранения больших количеств препаратов (в 3–5 раз больше, чем при использовании хлора). Во столько же раз увеличивается объём перевозок. При хранении реагенты частично разлагаются. Растворы хлорсодержащих реагентов могут приводить к коррозии и требуют оборудования трубопроводов из нержавеющих материалов или с антикоррозийным покрытием. Сила бактерицидного эффекта гипохлорита натрия меньше, чем у хлора, а применение его для дезинфекции также сопровождается загрязнением обрабатываемой воды различными веществами. Как и хлор, гипохлорит при попадании в сточную воду образует побочные продукты обеззараживания – хлорорганические соединения. Этот реагент чаще применяется для обеззараживания малых объёмов сточных вод. Диоксид хлора обладает большей бактерицидной активностью и дезодорирующим эффектом, чем газообразный хлор и, тем более, чем гипохлорит натрия. Действие ClO₂ на микроорганизмы обуславливается не только высоким содержанием высвобождающегося в процессе обработки воды хлора, но и образующимся атомарным кислородом. Это сочетание делает диоксид хлора более сильным обеззараживающим агентом, в том числе он более эффективен по отношению к вирусам. На обеззараживающем эффекте этого реагента очень незначительно сказывается кислотность среды. Диоксид хлора активен в более широком спектре pH, чем газообразный хлор. При обработке воды диоксидом хлора в меньшей степени, чем при обработке газообразным хлором, но все равно образуются побочные продукты хлоритов и хлоратов, которые относятся ВОЗ к метгемоглобинобразующим соединениям, токсичным для человека. Высокий обеззараживающий эффект ClO2 проявляется в дозах от 0,1 до 0,5 мг/дм³, в зависимости от содержания взвешенных в воде веществ. Однако увеличение загрязненности воды органическими соединениями во взвешенном и растворенном состоянии также уменьшает обеззараживающий эффект диоксида хлора. Для обеспечения надежной дезинфекции такой воды требуется повышение дозы реагента в 2-4 раза, что повышает опасность попадания хлорсодержащих соединений в природные водоёмы (реки, озёра, подземные горизонты) в составе сточных вод. По результатам исследования, проведённого в Мосводоканал НИИпроекте, даже небольшое количество остаточного хлора токсично для фауны водоёмов и приводит к практически полному прекращению процессов их самоочищения. Законодательно сточные воды, прошедшие хлорирование, должны подвергаться стадии дехлорирования (МУ 2.1.5.800-99 «Организация госсанэпиднадзора за обеззараживанием сточных вод. Методические указания», СП 32.13330.2012). Кроме того, диоксид хлора имеет еще один существенный недостаток – это очень взрывоопасное вещество, которое не может подвергаться транспортировке. Поэтому его необходимо производить непосредственно на месте применения (рис. 2).

Рис. 2 Установка для производства диоксида хлора

Озонирование

Аллотропная модификация кислорода – озон (O₃ ) характеризуется высокой окислительной способностью и обладает не только сильным бактерицидным эффектом, но также уничтожает споры бактерий и вирусы. Обработка озоном (озонирование) применяется для дезинфекции и воды, и воздуха. Нестойкая молекула озона быстро распадается с образованием двухатомной молекулы кислорода (O₂ ) и атомарного кислорода (O*), присутствие которого и обеспечивает бактерицидные и вирулицидные свойства. Существует много способов генерации озона (электролиз, обработка кислорода воздуха ультрафиолетовым облучением и др.), но в промышленных масштабах его получают воздействием на кислород воздуха тихого электрического разряда при низких температурах. Для получения нужного электрического разряда используется электрический ток с напряжением от 1 до 10 кВ, силой тока 0,05 А и частотой до нескольких кГц (обычно от 550 до 1800 кГц). Ток подается на электроды, между которыми прокачивают под давлением воздух, а из озонатора выходит озоно-воздушная смесь. Реакционная ячейка озонатора (рис. 3) представляет собой трубчатый внешний электрод, который заземлён.

Рис. 3 Озонатор

Повышение температуры среды снижает производительность генератора озона. Растворимость озона в воде значительно больше, чем у молекулы кислорода O₂ и при температуре 0° C составляет 0,394 г/л. Озонированием достигается не только дезинфицирующий эффект, но и очистка воды от ряда примесей, что немало[1]важно при обработке озоном сточных вод. Однако при очистке сточных вод для достижения вирулицидного эффекта требуются более высокие концентрации озона, чем при обработке чистой воды. Согласно результатам исследований, проведенных МГУП «Мосводоканал», для выполнения нормативных требований по обеззараживанию необходимо использование озона дозой не менее 12 мг/л для доочищенных и 18–20 мг/л для очищенных сточных вод.

Кроме того, озон токсичен для человека, его ПДК в воздухе – не более 0,0001 мг/л. Побочными продуктами озонирования воды являются альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, фенолы и другие гидроксилированные и аллоратические ароматические соединения, небезвредные для здоровья. Озон взрывоопасен, но только тогда, когда его концентрация в воздухе превышает 140 г/ м³ . Учитывая перечисленные свойства озона, а также из-за энергоёмких и дорогостоящих технологий его получения в промышленных количествах, озонирование находит успешное применение для обеззараживания и доочистки питьевой воды при водоснабжении, но не применяется для обеззараживания муниципальных сточных вод.

УФ-дезинфекция

Отечественными нормативными документами, конкретно СП 32.13330.2012, п. 9.2.11.2, предписывается: «Обеззараживание сточных вод, сбрасываемых в водные объекты, рекомендуется производить ультрафиолетовым излучением. Допускается обеззараживание хлором или другими хлорсодержащими реагентами (хлорной известью, гипохлоритом натрия, получаемым в виде продукта с химических предприятий, электролизом растворов солей или минерализованных вод, прямым электролизом сточных вод и др.) при обеспечении обязательного дехлорирования обеззараженных сточных вод перед сбросом в водный объект». Предпочтение отдаётся именно методу УФ-дезинфекции, и это объясняется преимуществами метода. Невидимое глазом УФ-излучение охватывает диапазон спектра электромагнитных волн с длиной волны от 10 до 400 нм. Обеззараживающим эффектом обладает только часть этого диапазона с длиной волны от 205 до 315 нм и максимумом действия в области 260±10 нм. Обеззараживающий эффект УФ-излучения, прежде всего, обусловлен происходящими под его воздействием фотохимическими реакциями в структуре молекул ДНК и РНК, которые являются информационной основой аппарата воспроизводства всех живых организмов, а стало быть, бактерий и вирусов в том числе. Результатом указанных фотохимических реакций являются непоправимые нарушения структуры РНК и ДНК. Кроме того, под воздействием УФ-излучения повреждается также структура мембран и клеточных стенок микроорганизмов. Такое сочетанное воздействие приводит к их гибели. Сила эффекта обеззараживания УФ-излучения на разные группы микроорганизмов убывает в следующем по[1]рядке: вегетативные бактерии > вирусы > бактериальные споры > цисты простейших. При этом эффективность обеззараживании УФ-облучением зависит от интенсивности излучения (мВт/ см²) и времени его воздействия (с). Произведение этих величин называется дозой облучения (мДж/см²). Согласно СП 32.13330.2012 (п. 9.2.11.3) доза ультрафиолетового облучения определяется характером и качеством очистки сточных вод, но она должна быть не менее 30 мДж/см². Однако, в связи с тем, что всё больше появляется микроорганизмов, резистентных к применяемым методам обеззараживания – хлорированию, озонированию, а также и УФ-облучению, специалисты рекомендуют считать для сточных вод минимальной дозой УФ-облучения 40 мДж/см². Эпидемическая же безопасность воды по паразитологическим показателям достигается при дозе не менее 65 мДж/см². При должной дозе УФ-облучение эффективно даже по отношению к спорообразующим бактериям и, как уже отмечалось выше, к вирусам. Причём эффективность УФ-дезинфекции с увеличением дозы облучения нарастает по экспоненте – незначительное увеличение мощности УФ-лампы при одном и том же расходе обрабатываемой воды в несколько раз повышает степень дезинфекции. В состав стандартной ультрафиолетовой установки для обработки сточных вод (рис. 4, 5) обычно входит:

 – камера обеззараживания, корпус которой изготавливается из нержавеющей стали, а внутри корпуса размещаются ультрафиолетовые бактерицидные лампы (ксеноновые или ртутные), заключённые в прочные чехлы из кварцевого стекла;

– шкаф с электронными пуско-регулирующими аппаратами;

– блок системы контроля, обеспечивающий безопасность и автоматизацию работы системы обеззараживания;

– блок химической промывки кварцевых чехлов. Внутри корпуса также размещают комплекс датчиков, позволяющих оценить эффективность и мониторинг работы установки (датчик мощности излучения, температуры и др.).

Рис. 4 Принципиальная схема установки для обработки воды УФ-излучением

Для обеззараживания больших объёмов воды могут использоваться многоламповые УФ-установки, обладающие производительностью работы до 30000 м³/час. Как уже указано выше, кроме ксеноновых в качестве источников УФ-излучения в установках для обеззараживания сточных вод применяются ртутные лампы высокого давления и ртутные лампы низкого давления. Потенциально это может нести возможность загрязнения стоков ртутью при какой-то внештатной аварийной ситуации. Однако на современных УФ-установках применяются ртутные лампы низкого давления нового поколения – амальгамные. В этих лампах ртуть присутствует в виде амальгамы (твердого сплава ртути с другими металлами). При разрушении такой лампы жидкая ртуть не выделяется наружу, а остается в амальгаме, поэтому не требуется проведение демеркуризации. Лампы высокого давления обладают высокой единичной мощностью (несколько кВт), но более низким КПД (9–12%) и меньшим ресурсом, чем лампы низкого давления (КПД 40%), единичная мощность которых составляет десятки и сотни ватт. При обработке воды УФ-излучением не образуется токсичных веществ, не изменяются химические и органолептические свойства воды.

Рис. 5 Установка для обеззараживания сточных канализационных вод

Этот метод требует меньших затрат по сравнению с озонированием как в отношении капиталовложений, так и эксплуатационных – не требуется постоянного обслуживающего персонала, меньше энергозатрат на работу оборудования, не требуется таких мер по обеспечению безопасности, как при обслуживании генератора озона. Не требуется также и помещений для хранения реагентов, как при хлорировании, да и вообще реагентов для обработки воды не требуется. Конечно, и у этого метода есть недостатки, к ним относятся отсутствие последействия после окончания обработки УФ-излучением и снижение эффективности при работе с мутными и сильно загрязненными жидкостями. Наличие механических включений, клеточных стенок, грибков и окрашенных элементов препятствует распространению ультрафиолетовых волн в воде. Поэтому сильно загрязнённые сточные воды следует подготавливать перед обработкой УФ-излучением с целью приведения их к соответствию нормам СанПиН для сточных вод.

Коронавирусы и УФ-излучение

По оценкам специалистов УФ-излучение действует на вирусы намного эффективнее, чем хлор. Так при дозе облучения 25 мДж/см² ультрафиолетовое обеззараживание показывает более сильный вирулицидный эффект, чем хлорирование, даже при дозе остаточного хлора 1,25 мг/л. Также УФ-обеззараживание при подготовке питьевой воды практически полностью обезвреживает вирус гепатита А. Известно, что вирулицидный эффект УФ-излучения распространяется и на коронавирусы. О методе обеззараживания SARS-CoV-2 ультрафиолетовым излучением упоминает и ВОЗ. Использование ультрафиолета в качестве заключительного этапа обеззараживания на очистных сооружениях канализации должно свести к минимуму риск водного пути распространения нового заболевания COVID-19, вызванного коронавирусом SARS-CoV-2.