0
0
0
phone-icon
8 800 550 58 54
(по России)
+7 343 328 56 86
(Екатеринбург)
+7 3452 60 81 62
(Тюмень)
Заказать звонок

О целесообразности использования ультрафиолета для удаления хлораминов в плавательных бассейнах

О целесообразности использования ультрафиолета для удаления хлораминов в плавательных бассейнах

Содержание:

Д. А. Собур А. А. Ткачев С. В. Костюченко
Д. А. Собур А. А. Ткачев С. В. Костюченко

Существует практика применения ультрафиолетового облучения как метода удаления хлораминов в воде плавательных бассейнов и аквапарков. Приводится обзор научных публикаций, посвященных этой технологии. На основе литературных данных делается вывод, что УФ-облучение практически не влияет на содержание хлораминов в воде бассейнов и аквапарков. УФ-облучение эффективнее использовать как элемент обеззараживания совместно с хлорированием.

Сочетание УФ-облучения и хлорирования обеспечивает надежное обеззараживание при возможности снижения концентрации хлора и его производных в воде бассейнов. А удаление хлораминов, если требуется, следует проводить другими технологическими приемами в составе современных схем водоподготовки, которые решают эту задачу более эффективно (правильная многослойная фильтрация, использование активированного угля и т. д.).

В последние годы ряд компаний, прежде всего зарубежных, поставляющих УФ-оборудование для бассейнов и аквапарков, активно продвигают использование ультрафиолета не только для обеззараживания воды, но и как эффективное средство для удаления хлораминов. Действительно ли это работает или же это маркетинговый ход, позволяющий поднять продажи?

Одной из серьезных проблем, возникающих при эксплуатации плавательных бассейнов, является необходимость удаления хлораминов, которые ответственны за характерный хлорный запах воды.

Хлорамины в бассейнах образуются при взаимодействии соединений хлора (используемых для обеззараживания) и соединений азота (продуктов жизнедеятельности человека: пот, моча и т. п.).

Существуют три формы хлорамина: монохлорамин (NH2Cl), дихлорамин (NHCl2) и трихлорамин (NCl3), которые способны превращаться друг в друга. Моно- и дихлорамины, насколько известно, не оказывают вреда для здоровья человека, но их наличие может приводить к образованию других вредных веществ (например, нитрозаминов). Трихлорамин вреден для здоровья, он может вызывать раздражение кожи, глаз, воспаление дыхательных путей и, потенциально, астму. Трихлорамин тяжелее воздуха, скапливается около поверхности воды и попадает в организм человека в основном через легкие.

Химия образования хлораминов

Согласно классической модели, хлорамины образуются при взаимодействии свободного хлора с ионом аммония (NH+). Добавление к раствору аммиака гипохлоритов (HOCl или OCl-) приводит к последовательному образованию хлораминов (монохлорамина, дихлорамина и трихлорамина). Формирование и соотношение между разными формами хлорамина в конкретном растворе зависят в первую очередь от pH, температуры и соотношения между концентрациями гипохлоритов и соединений азота.

При небольших концентрациях хлора, по сравнению с концентрацией иона аммония, образуется в основном монохлорамин. Дальнейшее добавление хлора приводит к разложению монохлорамина с образованием сначала дихлорамина, а затем и трихлорамина. При молярном соотношении Cl2/N0 выше 1,5 происходит практически полное разложение хлораминов с образованием N (газ) и NO-. Трихлорамин в обычных условиях возникает только на последней стадии окисления аммиака и при дальнейшем хлорировании быстро разлагается с образованием газообразного азота.

На рис. 1 представлена зависимость содержания растворенного азота и связанного хлора от концентрации свободного хлора в воде. При достижении соотношения свободного хлора к азоту, равного 1,5, происходит практически полное разложение хлораминов, так называемая точка breakpoint chlorination. Снижение N/N0 означает выделение газообразного азота.

Действующие нормативы (СП 2.1.3678-20 «Санитарно-эпидемиологические требования к эксплуатации помещений, зданий, сооружений, оборудования и транспорта, а также условиям деятельности хозяйствующих субъектов, осуществляющих продажу товаров, выполнение работ или оказание услуг») требуют при хлорировании воды в бассейнах поддерживать уровень свободного (остаточного) хлора не менее 0,3 мг/л, при использовании комбинированного метода (хлорирование + УФ) – не менее 0,1 мг/л, а содержание связанного хлора (прежде всего, хлораминов) должно быть не более 0,2 мг/л.

Поглощение ультрафиолета хлораминами в водных растворах

Действительно, моно-, ди-, и трихлорамин поглощают УФ-излучение в диапазоне длины волны 200–300 нм. При этом у трихлорамина с уменьшением длины волны поглощение возрастает, поэтому излучение ртутных ламп низкого давления (254 нм) будет поглощаться более эффективно, чем излучение ламп среднего давления, спектр которых сдвинут к большей длине волны (рис. 2).


В то же время общее поглощение УФ-излучения хлораминами в бассейнах незначительное. На рис. 2 приведены кривые поглощения для моно-, ди- и трихлорамина. Расчет показывает, что хлорамины будут поглощать лишь порядка 1% от общего количества поглощенного УФ-излучения для очень чистой воды (с коэффициентом УФ-пропускания 98%), в которой мало органических веществ, более эффективно поглощающих ультрафиолет.

Фотолиз хлораминов

Под воздействием УФ-излучения хлорамины разлагаются. В зависимости от условий при фотолизе могут образовываться нитриты, нитраты, оксиды азота и, главное, исходный ион аммония. Возвращаясь в воду бассейна, ион аммония реагирует со свободным хлором и снова образует хлорамины. В результате достаточно быстро (примерно за 1–2 часа) восстанавливается исходная концентрация хлораминов в воде бассейна .

Рекомендации по применению УФ-облучения для удаления хлораминов были включены в немецкий стандарт DIN 19643-2 «Очистка воды плавательных и купальных бассейнов». В нем указано, что, наряду с традиционными методами (многослойная фильтрация, использование порошкообразного или гранулированного активированного угля), возможным способом снижения содержания связанного хлора является использование систем с УФ-лампами среднего давления с дозой облучения от 40 до 60 мДж/см2 (пункт 4.5.5 DIN 19643-2). При этом не удается найти научные публикации, подтверждающие высокую эффективность УФ-облучения для удаления хлораминов в реальной воде бассейнов. Наоборот, представленные результаты исследований, скорее всего, не подтверждают целесообразность использования УФ-облучения против хлораминов.

Сложилась ситуация, которая описана Ernest R. Blatchley, одним из ведущих мировых специалистов в области УФ-технологий: «В плавательных бассейнах все чаще используются УФ-системы для улучшения дезинфекции и контроля содержания хлораминов. Фактически продаются ультрафиолетовые системы для контроля содержания хлорамина в плавательных бассейнах, несмотря на то, что кинетика и механизмы реакций, приводящих к распаду хлорамина, четко не определены».

Эксперименты по разложению хлораминов в бассейнах УФ-лампами низкого и среднего давления

Исследования разложения хлораминов в баcсейне были проведены швейцарскими учеными в 2014 г., уже после принятия упомянутого стандарта DIN 19643-2. Данная работа потребовала применения специального экспериментального оборудования, поскольку измерение концентрации каждого из смеси хлораминов в воде представляет сложную техническую задачу. Для облучения использовались УФ-лампы среднего и низкого давления.

Наш ассортимент
Код товара: НФ-00022598
Артикул: ДБ-75-2
Цена за: шт
7 008 ₽
В корзину
Код товара: НФ-00055353
Артикул: Nec-20п/7
Цена за: шт
213 869 ₽209 592 ₽
В корзину
Код товара: НФ-00022661
Артикул: RLS0001
Цена за: шт
8 708 ₽8 534 ₽
В корзину
Код товара: НФ-00056319
Артикул: BH01132
Цена за: шт
122 436 ₽97 799 ₽
В корзину
Код товара: НФ-00047577
Артикул: DUV-1A250-N MST
Цена за: шт
698 900 ₽
В корзину

Было показано, что разложение монохлорамина и дихлорамина возможно, но для этого требуются огромные дозы облучения. Так, для ламп среднего давления требовалась доза около 4000 мДж/см2 для снижения концентрации монохлорамина на 50% (для дихлорамина около 1000 мДж/см2). Эти дозы в десятки раз выше, чем традиционные дозы 25–40 мДж/см2, которые требуется применять для обеззараживания воды согласно МУК 4.3.2030-05 «Санитарно-вирусологический контроль эффективности обеззараживания питьевых и сточных вод УФ-облучением». Для ламп низкого давления результаты были лучше, и снижение концентрации моно- и дихлораминов на 50% достигалось при дозе около 750 мДж/см2. Однако и эти значения слишком велики для реального применения в бассейнах.

Таким образом, было показано, что использование УФ-оборудования с рекомендованными DIN 19643-2 дозами (60 мДж/см2) не способно существенно повлиять на концентрацию моно- и дихлораминов в бассейне, а значит, и на концентрацию связанного хлора. Этот тезис был ими же подтвержден экспериментально при работе реального бассейна с использованием УФ- установки на лампах среднего давления с дозой 60 мДж/см2.

В то же время основную опасность для здоровья посетителей и персонала бассейнов представляет трихлорамин, который разлагается с помощью УФ-облучения значительно легче. В экспериментах на лампах низкого давления швейцарские авторы получили, что один поглощенный квант УФ-излучения разрушает 2,11 молекулы трихлорамина, что близко к результатам работы – 1,85 молекулы на один квант. А вот для ламп среднего давления результат оказался существенно ниже ожидаемого: на один поглощенный квант УФ-излучения приходилось 2,3 молекулы трихлорамина. Таким образом, предположение о существенной разнице между лампами среднего и низкого давления не подтвердилось. При одинаковых дозах лампы удаляли аналогичное количество трихлорамина (около 50% при дозе 200 мДж/м2).

Результаты работы представлены на рис. 3, из которого видно, что для снижения концентрации монохлорамина в два раза требуется доза 4000 мДж/см2 (лампы среднего давления) или 750 мДж/см2 (лампы низкого давления).

Эксперимент в реальном бассейне

Лабораторные эксперименты с чистыми веществами не отвечают на главный вопрос: как будет работать оборудование в реальных условиях бассейна. При эксплуатации невозможно облучать всю воду бассейна одновременно. Обычное время водообмена для оздоровительного бассейна составляет около 6 часов (СП 2.1.3678-20). Что произойдет с разложенными хлорами- нами за это время? Швейцарское исследование отвечает и на этот вопрос.

В работе анализировали реальное применение УФ-оборудования на лампах среднего давления с дозой 50–55 мДж/см2. После прохождения воды через установку концентрация мо- но- и дихлораминов практически не изменялась (как и общий связанный хлор), а концентрация трихлорамина снижалась на 40–50%. Однако реальную эксплуатацию интересует не концентрация хлораминов на выходе установки, а изменение концентрации в бассейне. Увы, работа установки повлияла на равновесную концентрацию трихлорамина только в детском бассейне, где полный водообмен происходит за один час. И то эффект был небольшой: концентрация снизилась примерно на 20%, поскольку со временем содержание трихлорамина восстанавливалось. Что же касается взрослого бассейна со временем полного водообмена 5 часов, то там искомый эффект не превысил уровня погрешности (снижение менее чем на 10%).

УФ-оборудование действительно разлагает трихлорамин, но из швейцарских экспериментов видно, что удаление не является окончательным. Со временем трихлорамин восстанавливается. Если время полного водообмена составляет несколько часов, то разложенные хлорамины успевают восстановиться. Таким образом, для эффективного удаления трихлор- амина с помощью ультрафиолета нужна высокая кратность водообмена. В противном случае его концентрация быстро восстанавливается до стационарного значения. Эти выводы подтвер- дило и проведенное авторами работы моделирование химических процессов. В то же время использование высокой кратности водообмена на практике трудно реализуется из-за высоких затрат электроэнергии и необходимости использования большого количества оборудования.

Швейцарские исследователи заключают, что, поскольку в практике эксплуатации обычно невозможно увеличить кратность водообмена, наиболее подходящим способом уменьшения концентрации трихлорамина является снижение концентрации свободного хлора, который реагирует с азотистым прекурсором и образует хлорамины. Собственно, возможность такого снижения исходного дозирования хлора и появляется при использовании комбинированного метода обеззараживания (хлорирование + УФ).

А как же практика?

Никакого противоречия, на наш взгляд, нет. УФ-лампы действительно помогают снизить концентрацию хлораминов. Но происходит это не за счет фотолиза, как мы видим, его эффект весьма незначителен. Реальная заслуга ультрафиолета – возможность снизить концентрацию свободного хлора. Снижая содержание свободного хлора в бассейне, уменьшается и концентрация хлораминов.

Откуда тогда берутся дозы 60 или даже 65 мДж/см2, предлагаемые поставщиками? Ответа найти не удалось. Для обеззараживания до- статочно дозы 25, максимум 40 мДж/см2. Предлагаемая доза 60 мДж/см2 избыточна и не дает никаких преимуществ при обеззараживании. А для разложения связанного хлора она недостаточна. В результате предлагается использовать более мощное и дорогое оборудование там, где аналогичный результат можно достигнуть проще и дешевле. Во всяком случае не удалось найти результатов научных исследований, обосновывающих преимущества дозы 60 мДж/см2 по сравнению с дозой 25–40 мДж/см2. Хотя такая разница в УФ-мощности приводит к росту эксплуатационных затрат минимум в 1,5 раза!

Точно также лампы среднего давления не имеют особых преимуществ перед лампами низкого давления для удаления хлораминов: и те и другие имеют близкую и весьма низкую эффективность фотолиза хлораминов.

Также интересно обратить внимание на технические характеристики УФ-оборудования, предлагаемого на бассейновом рынке. В таблице приведены характеристики трех УФ-установок на лампах среднего давления: для первых двух установок характеристики взяты с сайтов поставщиков бассейнового оборудования, а данные по третьей установке – из немецкого сертификата DVGW для применения в питьевом водоснабжении.

Необходимо отметить, что в Германии для получения такого сертификата УФ-установку надо протестировать в специальном центре для подтверждения обеспечения дозы 40 мДж/см2. И получается, что предлагаемые поставщиками для бассейнов УФ-установки, которые должны обеспечивать дозу 60 мДж/см2, имеют значительно более низкое удельное энергопотребление (в 2,7–4 раза!), нежели УФ-установка с подтвержденной дозой 40 мДж/см2. Согласитесь, это наводит на некоторые размышления.

Еще один нюанс, связанный с УФ-дозой, присутствует при подборе УФ-оборудования: всегда важно обращать внимание на качество воды, для которой производитель указывает расход и дозу УФ-облучения. Зачастую в рекламных и справочных материалах расход указан для практически дистиллированной воды или воды после обратного осмоса (коэффициент УФ-пропускания 98% и выше). Реальный же коэффициент пропускания воды в бассейнах часто не превышает 80–90%. Поэтому при подборе УФ-установки следует использовать скорректированный расход с учетом реального качества воды.

Выводы

  1. Научные данные показывают, что облучение воды ультрафиолетом практически не влияет на концентрацию связанного хлора в воде плавательного бассейна. Даже дозы 60 мДж/см2 оказывается недостаточно для разложения моно- и дихлораминов, а значит, и для значительного изменения содержания связанного хлора. Такие дозы могут разлагать трихлорамин (достигается снижение на 40–50% от концентрации на входе в УФ-установку), но разложение не является окончательным, и концентрация в чаше бассейна быстро восстанавливается до исходных значений (снижение концентрации трихлорамина менее чем на 10% для бассейна со временем полного водообмена 5 часов). Избежать этого возможно лишь при сокращении времени полного водообмена до одного часа, но это, как правило, невыполнимо в реальной эксплуатации.
  2. Основной эффект снижения концентрации связанного хлора при использовании УФ-оборудования достигается не за счет фотолиза три- хлорамина, а за счет снижения содержания свободного хлора при внедрении УФ-обеззараживания. Применение УФ-облучения позволяет снизить концентрацию свободного хлора до минимально ограниченной нормативами величины (0,1–0,3 мг/л) и за счет этого снизить концентрацию хлораминов в бассейне. Для достижения этой цели не требуется доза 60 мДж/см2, а достаточно традиционной дозы 25 мДж/см2.
  3. Исходя из вышеизложенного, целесообразность применения УФ-облучения как средства для удаления хлораминов в бассейнах является недоказанной и сомнительной. Сочетание УФ-облучения и хлорирования обеспечивает надежное обеззараживание при возможности снижения концентрации хлора и его производных в воде бассейнов. А удаление хлораминов, если требуется, следует проводить другими технологическими приемами в составе современных схем водоподготовки, которые решают эту задачу более эффективно (правильная многослойная фильтрация, использование активированного угля и т. д.).
 
 

Источники:

  • Donegan Fran J., Short D. Pools and Spas: Planning, Designing, Maintaining, Landscaping. 3rd Edition. Design Originals. Creative Homeowner, 2012.
  • Soltermann F., Widler T., Canonica S., von Gunten U. Photolysis of inorganic chloramines and efficiency of trichloramine abatement by UV treatment of swimming pool water. Water Research, 2014, v. 56, pp. 280–291. DOI: 10.1016/j.watres.2014.02.034.
  • Gendel Y., Lahav O. Revealing the mechanism of indirect ammonia electrooxidation. Electrochimica Acta, 2012, no. 63, pp. 209-219. DOI:10.1016/j.electacta.2011.12.092.
  • Ультрафиолетовые технологии в современном мире / Под редакцией Кармазинова Ф. В., Костюченко С. В., Кудрявцева Н. Н., Храменкова С. В. – Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2012. 392 с. Ul’trafioletovye tekhnologii v sovremennom mire [Ultraviolet technologies in the modern world. Edited by Karmazinov F. V., Kostyuchenko S. V., Kudruavtsev N. N., Khramenkov S. V. Dolgoprudnyi, Intellekt Publ., 2012, 392 p.].
  • Jing Li, Ernest R. Blatchley. UV Photodegradation of inorganic chloramines. Environmental Science and Technology, 2009, v. 43, no. 1, pp. 60-65. https://doi.org/10.1021/es8016304


 

Комментарии
Также, вам может понравиться