Сравнительная оценка высоко- и низкоконцентрированного гипохлорита натрия для дезинфекции питьевых вод

Оборудование

 А. Б. ГРИГОРЬЕВ, доцент, канд. техн. наук (ООО «Экоконтроль С», г. Москва) 

Р. РАСС, директор по маркетингу и продажам (SIEMENS, Chemfeed Limited Water Technologies, Wallace&Tiernan)

Гипохлорит натрия (ГХН) − NaOCl относится к поколению реагентов-дезинфектантов, используемых в качестве альтернативы газообразному хлору, обеспечивает эффективное обеззараживание и защиту от всех известных патогенных (болезнетворных) бактерий, вирусов, грибковых инфекций и простейших. Гипохлорит натрия применяется обычно в двух формах: товарный (технический) − высококонцентрированный раствор с высоким значением рН, производимый на химических заводах; OSEC − раствор с более низкой концентрацией, производимый на месте использования в нужном количестве путем электролиза раствора пищевой соли.
Содержание хлора в растворе ГХН обычно выражается в процентах от массы раствора, например, 1 дм3 технического ГХН массой 1,14 кг содержит 14 %, или 0,159 кг активного хлора. Типичный состав различных форм ГХН: технический − 10−14 %; ОSEC − 0,2−0,8 %.

Свойства гипохлорита натрия

Разложение ГХН происходит двумя путями:
преобразование в хлорат и хлорид                 3NaOCl → NaClO3 + 2NaCl;
преобразование в кислород и хлорид              2NaOCl → O2 + 2 NaCl.
Первая из этих реакций зависит от концентрации: чем выше исходная концентрация ГХН, тем быстрее происходит разложение. Скорость разложения возрастает также с повышением температуры.
Катализатором второй реакции является ряд металлов. Микроконцентрации никеля или меди могут вызвать быстрое разложение до кислорода. Разложение ГХН до хлората имеет два недостатка. Во-первых, происходит потеря продукта, что приводит к увеличению расходов; во-вторых, в воду, подвергаемую обработке, попадают нежелательные побочные продукты, например хлораты.
При хранении технический ГХН разлагается до хлората. Чтобы избежать этого, необходимо минимизировать время и температуру хранения, для чего может потребоваться охлаждение ГХН во время транспортировки и при хранении на месте будущего использования. Присутствие ряда металлов в качестве загрязнений в техническом ГХН также ускоряет разложение. Это обусловливает потерю продукта и образование газообразного кислорода, что может вызвать проблемы при перекачивании и подаче.
ГХН, получаемый с помощью системы OSEC, разлагается гораздо медленнее благодаря низкой исходной концентрации. Обычно он производится на месте потребления по мере необходимости, что обеспечивает минимальное время хранения по сравнению с техническим ГХН.
Еще одной проблемой побочных продуктов является присутствие в ГХН бромата. Бромат является результатом окисления бромида в соли, используемой для производства ГХН. Из-за потенциально канцерогенных свойств бромата в странах ЕС существует ограничение, согласно которому содержание этого соединения не должно превышать 10 мг/л. Водопроводные компании стран ЕС, Англии, США, Японии и др. стараются закупать технический ГХН с пониженным содержанием бромата, чтобы избежать указанной проблемы. Для производства ГХН OSEC с низким содержанием бромата рекомендуется использовать соль с низким содержанием бромида.
Технический ГХН имеет высокое значение рН, что необходимо для обеспечения стабильности продукта. При введении его в воду с повышенным содержанием кальция и магния возможно обра-зование отложений нерастворимых карбонатов и гидроксидов. Это, в свою очередь, может вызвать серьезные проблемы с обслуживанием, поскольку потребуется часто демонтировать и чистить эжекторные устройства. Низкое значение рН ГХН, производимого системой OSEC, сводит проблему накипи до минимума. Значительно сокращаются и работы по прочистке эжекторных устройств.
Система OSEC английской фирмы «Уоллас энд Тирнан» производит ГХН концентрацией до 0,8 %  в  зависимости  от  области  применения  или от типа используемой установки (рис. 1). Следует заметить, что при концентрации менее 1 % ГХН классифицируется в Англии как неопасный реагент, хотя и очень эффективный дезинфектант. Единственным побочным продуктом реакции является газообразный водород, который отводится в атмосферу в безопасной концентрации.

Выбор метода дезинфекции
При оценке метода дезинфекции следует принимать во внимание следующие факторы: безопасность, образование побочных продуктов, экономичность, независимость от поставщиков, место расположения и обслуживание, установка оборудования и общие издержки, гарантии и многое другое. Электрохлорирование обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами дезинфекции. Об использовании ГХН в качестве дезинфектанта и о его химических свойствах уже говорилось выше. Однако вопрос применения системы электрохлорирования вместо установок дозирования технического ГХН требует дальнейшего рассмотрения. В некоторых случаях отказ от традиционных методов дезинфекции газообразным хлором диктуется изменением местного законодательства или безопасностью.

Безопасность
Переход на использование ГХН существенно уменьшает риски, связанные с применением газообразного хлора. Тем не менее следует помнить, что технический ГХН концентрацией 14−18 % очень агрессивен из-за высокого значения рН и содержания хлора. Поэтому при обращении с ним необходимо соблюдать дополнительные меры безопасности – надевать защитные очки и специальную одежду. Применение 0,8-процентного ГХН, производимого с помощью системы OSEC, снижает указанные риски до минимума. Безопасность населения, а также персонала на самих водопроводных сооружениях обеспечивается исключением транспорти-ровки больших партий реагента, хранения и дозирования высоко-концентрированных растворов реагентов или газообразного хлора (рис. 2−4). При обращении с 0,8-процентным ГХН также не требуется сложной индивидуальной защиты персонала.
Эксплуатация и обслуживание установок OSEC предусматривают периодическое добавление соли и наблюдение за панелью управления. Это дает явные преимущества по сравнению со сложным обучением персонала и необходимостью установки защитного оборудования при использовании и смене контейнеров с газообразным хлором или при транспортировке и хранении (и связанное с этим разложение) технического ГХН (рис. 3).
Согласно регламентации МЧС, газообразный хлор − аварийное, химически опасное вещество: он ядовит, является сильным окислителем, оказывает остронаправленное действие на людей, относится ко второму классу опасности. Промышленный ГХН имеет третий класс опасности; ГХН системы OSEC относится к четвертому классу опасности, а по другим регламентирующим источникам система OSEC относится к четвертому-шестому классу опаснсти.

Химическая устойчивость
     Коррозия. Из-за агрессивных свойств технического ГХН оборудование, которое используется для его хранения и дозирования, подвергается коррозии. Более всего подвержены утечкам накопительные резервуары, обвязка и дозирующее оборудование. Этого не происходит при использовании ГХН, производимого системой OSEC. Отступ
      Накипь. Другой проблемой при использовании технического ГХН, если сравнивать с ГХН OSEC, является высокое значение рН (обычно около 12). Многие поставщики технического ГХН добав-ляют в раствор каустик для предупреждения газообразования и увеличения срока хранения продукта. При таком высоком значении рН кальций в воде вступает в реакцию с растворенным  CO2 и осаждается в виде накипи карбоната кальция. Накипь разрушительно воздействует на обвязку, арматуру и расходомеры, поэтому технический ГХН, по возможности, используется неразбавленным (с учетом всех рисков, связанных с этим реагентом) с самыми короткими отрезками трубопровода, которые только позволяет расход в системе.
В системах OSEC используется умягченная вода для предупреждения отложений минеральных веществ в электролизере, что обеспечивает бесспорное преимущество по сравнению с другими системами. ГХН, производимый установкой OSEC, имеет пониженное значение рН, т. е. оказывает меньшее влияние на щелочность воды. В ряде случаев это дает значительную экономию затрат на реагенты для регулирования рН, которые применяются при наличии в продукте ГХН.Отступ
     Газообразование. Одним из наиболее серьезных недостатков использования технического ГХН является газообразование при разложении продукта. По мере того как концентрация ГХН снижается с течением времени, образуется газообразный кислород. При комнатной температуре
ставляет примерно 1 % в сутки. На практике скорость образования будет возрастать с увеличением концентрации, температуры и в присутствии металлических катализаторов. Требованиями к хранению ГХН являются низкая температура, кратчайшее время хранения и отсутствие контакта с металлами. Использование металлических компонентов (в трубопроводах, деталях, контактирующих с ГХН) может вызвать быстрое разложение ГХН − до 2−3 % в час. Опасность заключается в накоплении газа в трубопроводах, шаровых клапанах и насосах-дозаторах, что может привести к газовым пробкам или риску взрыва.
Системы OSEC обеспечивают производство раствора ГХН по мере необходимости, что снижает степень разложения продукта до менее 0,1 % в месяц. Таким образом, про-блема газообразования практически отпадает. Тем не менее при необходимости хранения ГХН перед его дозированием следует избегать воздействия на него прямых солнечных лучей и исключать контакт с металлами. Отступ
    Образование хлората. В зависимости от величины рН, интенсивности света, температуры и концентрации ГХН разлагается на: О2 и NaCl (фо-токаталитически), Cl2 и NaOH (закон Генри о газообразовании), NaClO3 и 3NaCl (перераспределение). При температуре 22 ºС образование хлората в 0,8-процентном ГХН, произведенном в установке OSEC, практически невозможно обнаружить. В 15-процентном техническом ГХН 0,6 % активного хлора преобразуется в хлорат в течение первых 24 ч хранения с момента производства при той же температуре и концентрации. Чем выше концентрация ГХН, тем выше начальные уровни образования хлората.
В системе OSEC имеется принудительная вентиляция резервуара с ГХН, поэтому общий уровень разложения хлора (из-за испарения, преобразования в Cl- и хлорат) составляет около 1,8 % в су-тки. Для сравнения − разложение технического ГХН составляет 4 % в сутки. Отступ
      Образование бромата – проблема как технического ГХН, так и вырабатываемого установкой OSEC. В обоих случаях бромид окисляется до бромата. Образование бромата увеличивается при щелочном рН, высокой дозе озона и концентрации ионов бромида. В системах OSEC образование бромата обычно зависит от концентрации бромида в исходной соли.
В законодательстве Вели-кобритании предусмотрено, что операторы Водоканалов должны решать проблему снижения побочных продуктов при дезинфекции, т. е. количество хлора, дозируемого в питьевую воду, должно быть снижено путем контроля содержания бромата в исходном продукте. Для этого необходимо оптимизировать время хранения и разложения технического ГХН или произведенного на месте в установках OSEC.
Для уменьшения риска образования бромата в первую очередь необходима закупка сырья с пониженным содержанием бромида, а затем − оптимизация условий хранения ГХН на месте.Отступ
   Образование водорода. При производстве хлора электролитическим способом образуется водород в количестве 10 дм3/мин на каждые 45 кг/сут хлора, т. е. 1,3 кг водорода на каждые 45 кг хлора. Водород должен быть удален во избежание угрозы взрыва. Нижний порог взрывоопасности составляет 4 %, поэтому принудительная вентиляция должна обеспечить удаление 250 дм3/мин водорода на 45 кг суточной производительности по хлору.Отступ
    Независимость от поставщиков. По сравнению с газообразным хлором и техническим ГХН при производстве ГХН с помощью системы OSEC исключается зависимость от большого объема поставок химических реагентов, а также отсутствуют проблемы с транспортировкой, хранением и дозированием. В настоящее время новые правила фактически ограничивают применение газообразного хлора, что заставляет Водоканалы  переходить на альтернативные методы обеззараживания. Производство ГХН установками OSEC на месте по мере потребления в большинстве случаев является наиболее дешевым решением.

Гарантия на непрерывную работу анодов системы OSEC составляет 5 лет. Для эксплуатации и обслуживания установок OSEC требуется минимальное обучение персонала. В России по вопросам, связанным с сервисным обслуживанием, ремонтом и поставкой сервисных запасных частей, необходимо обращаться к эксклюзивному российскому представителю фирмы «Wallace & Tiernan» − ООО «Экоконтроль С».

Сравнение цен на производство технического ГХН
и  вырабатываемого  установкой OSEC

Для получения 1 кг. экв. Cl на установках OSEC необходимо:
3,7 кг. соли + 5,5 кВт энергии + 135 л. воды, в среднем затраты составляют 14,70 руб (без НДС).
Закупочная цена 6,67 л. технического ГХН (в котором содержится 1 кг экв. хлора),  производимого на Волгоградском химзаводе, составляет 62,48 руб (без НДС) или 9,37 руб/л без НДС.

 Cвыше 1378 установок OSEC производительностью от 2 до 10000 кг экв. хлора в сутки успешно работают по всему миру.

В августе 2006г. на Северной водопроводной станции г.Уфы введена в пробную эксплуатацию установка OSEC по производству 0,8% ГХН, эквивалентного 340 кг. хлора в сутки.