Природная вода содержит различные органические вещества и биологические загрязнения. Они придают ей цветность, запах, привкус, служат источником заражения болезнетворными микроорганизмами.
В воде также содержатся в виде раствора катионы тяжелых металлов низшей валентности, например, железо и марганец, анионы в высшей валентности и растворенные газы, например, гидросульфаты и сероводород. Одним из путей улучшения качества воды является обработка ее окислителями. Первоначально окислители применялись с целью обеззараживания (дезинфекции) воды и лишь позднее для улучшения цветности, вкуса, привкуса и запаха (для обесцвечивания, дезодорации, обезжелезивания и деманганации воды).

Основными окислителями, используемыми в водоподготовке, являются:

• кислород воздуха;
• хлор-газ Сl₂;
• другие галогены: Br, I;
• диоксид хлора СlO₂;
• гипохлорит натрия NаClO;
• гипохлорит кальция Са(СlО)₂;
• хлорная известь (хлорид-хлорат кальция);
• хлорамины;
• озон О₃;
• перманганат калия KMnO₄;
• пероксид водорода H₂O₂.

Кислород является достаточно слабым окислителем. Он практически не действует на растворенные органические вещества, а для биологических объектов является необходимым элементом их существования и размножения.
В то же время кислород окисляет растворенные в воде катионы тяжелых металлов (железо и марганец) до их высших валентностей, при которых они легче гидролизуются и затем удаляются фильтрованием. Такие процессы чрезвычайно распространены в практике водоподготовки (см. раздел об обезжелезивании воды). Другие, более сильные окислители не только окисляют неорганические ионы, но и дезинфицируют и дезодорируют воду .

В мировом масштабе первое место среди дезинфицирующих воду веществ занимает хлор и его соединения.

Эффективность действия любых окислителей определяется произведением их концентрации и времени воздействия. Существенное значение имеют рН среды, температура воды, наличие различных неорганических веществ, а также соотношение концентраций трудно- и легкоокисляемых соединений в воде.

Хлор действует на органические вещества, окисляя их, и на бактерии, которые погибают в результате окисления веществ, входящих в состав протоплазмы клеток.

Хлор обладает высокой дезинфицирующей способностью, относительно стоек и длительное время сохраняет активность. Он легко дозируется и контролируется. При реакциях с органическими веществами происходит образование тригалогенметанов и хлорфенолов, придающих воде запах, а также чрезвычайно токсичных диоксинов. Из-за этого требуется последующая доочистка воды .

Хлорирование воды требует наличия систем транспортировки и хранения хлора.

Доза хлора при хлорировании предварительно фильтрованной воды составляет 2–5 мг/л в зависимости от ее хлорпоглощаемости, т. е. от наличия в воде органических и неорганических веществ, реагирующих с хлором. Она должна устанавливаться с таким расчетом, чтобы в воде, поступающей к потребителю, оставалось 0,3–0,5 мг/л свободного хлора. Это обеспечивает отсутствие вторичного заражения (обсеменения) воды.

Кроме того, хлор непосредственно реагирует со многими органическими веществами, образуя их хлорпроизводные, такие как хлорфенолы, хлороформ и др.

Для дозирования хлора в воду применяют специальные вакуумные хлораторы. Они содержат узел хранения жидкого хлора, испаритель, системы фильтрации и измерения расхода газа, а также эжектор, создающий разрежение и подсасывающий газообразный хлор в смеситель, а затем полученную хлорную воду – в поток обрабатываемой воды.

Хлор продолжает оставаться основным дезинфицирующим средством и для оптимального эффекта дополняется другими средствами (озонированием, ультрафиолетовым облучением и т. п.). К его недостаткам относятся: высокая токсичность, трудность обеспечения жидким хлором удаленных объектов, образование токсичных и дурнопахнущих хлорпроизводных. Постоянно проводятся исследования по замене хлора на реагенты, имеющие близкую окислительную способность, но лишенные его недостатков.

Для увеличения продолжительности бактерицидного действия хлора и предотвращения образования хлорфенольных запахов в воду наряду с хлором вводят аммиак. При его взаимодействии с хлорноватистой кислотой, которая образуется при хлорировании воды, получается монохлорамин который, гидролизуясь, образует сильный окислитель – гипохлоритный ион .

Гидролиз хлорамина протекает достаточно медленно, поэтому в первое время его окислительное действие ниже, чем хлора. Однако длительность бактерицидного действия хлорамина существенно больше. Поэтому аммонизацию применяют, если вода длительное время должна находиться в промежуточных резервуарах и сетях. Соотношение доз хлора и аммиака зависит от состава исходной воды. Обычно использу ется соотношение, когда аммиака в 5–6 раз меньше, чем хлора.

Диоксид хлора сильнее хлора и как дезинфектант, и как окислитель, прекрасно уничтожает привкусы и запахи воды, не взаимодействует с аммиаком и эффективен в широком диапазоне рН. Однако он взрывоопасен и не может сжижаться, храниться и перевозиться. Поэтому он должен получаться на месте потребления (известно два метода: реакция хлорита натрия с хлором в присутствии кислоты или реакция хлорита натрия с соляной кислотой).

Полученный раствор дозируется в обрабатываемую воду, пропорционально ее расходу.

По сравнению с хлором диоксид хлора обладает рядом преимуществ:

• более высокое бактерицидное и дезодорирующее действие;
• отсутствие в очищенной воде хлорорганических соединений;
• высокий уровень окисления (до образования CO₂);
• улучшение органолептических свойств воды .

Недостатком этого способа является образование вредных продуктов – хлоритов и хлоратов – и бoльшая стоимость по сравнению с хлором (и озоном).

В связи с высокой стоимостью диоксида хлора возможно применять его совместно с хлором – хлор вводится в воду на насосной станции или перед отстойниками в дозе, равной хлороемкости воды, а ClO₂ поступает в осветленную воду в дозе 0,5–1,0 мг/л для глубокого обеззараживания, снижения запахов и цветности воды, а также улучшении ее вкуса.

В настоящее время предлагаются полностью автоматизированные установки для производства диоксида хлора и его дозировки в воду.

Гипохлорит натрия – NaClO – стал применяться для дезинфекции воды с самого зарождения хлорной промышленности благодаря высокой антибактериальной активности и широкому спектру действия на различные микроорганизмы. Однако содержание активного хлора в нем относительно мало, его растворы имеют ограниченную стойкость и постепенно разлагаются с понижением содержания активного хлора.

Окислительное и бактерицидное действие гипохлорита натрия идентично растворенному хлору, кроме того, он обладает пролонгированным бактерицидным действием.

Одним из наиболее перспективных способов обеззараживания природной воды является использование гипохлорита натрия, получаемого на месте потребления путем электролиза 2–4%-ных растворов хлорида натрия (поваренной соли) или природных минерализованных вод, содержащих не менее 50 мг/л хлорид-ионов.

В настоящее время рядом заводов России серийно выпускаются электролизеры различной производительности для получения гипохлорита натрия. Производятся как малогабаритные установки с производительностью до 10 г/ч, так и относительно крупные, с производительностью до нескольких кг в час в пересчете на активный хлор.

Такие установки предназначены для обеззараживания до 1000 тыс. м³ воды в сутки. Производимый раствор содержит от 6 до 12 г/л по активному хлору. Расход электроэнергии составляет 6–8 кВт на кг активного хлора, а расход поваренной соли – 12 кг/кг хлора.

При достаточном содержании хлоридов в самой обрабатываемой воде обеззараживание может осуществляться путем непосредственного ее электролиза.

Наряду с достоинствами у обеззараживания воды гипохлоритом натрия, производимым на месте потребления, имеется и ряд недостатков, прежде всего – повышенный расход поваренной соли, обусловленный низкой степенью ее конверсии (до 10–20%). При этом остальные 80–90% соли в виде балласта вводятся с раствором гипохлорита в обрабатываемую воду, повышая ее солесодержание. Снижение же концентрации соли в растворе, предпринимаемое ради экономии, увеличивает затраты электроэнергии и расход анодных материалов.

В целях повышения эффективности и надежности обеззараживания воды в 1991 г . АО «Кемвод», г. Кемерово, впервые в России внедрило технологию обеззараживания питьевой воды привозным техническим гипохлоритом натрия. Указывается, что технология, надежная и простая в эксплуатации, позволила улучшить экологическую ситуацию в населенном пункте, повысить гигиеническую безопасность процесса очистки воды, обеспечить стабильное качество питьевой воды и уменьшить коррозию оборудования трубопроводов в 10–20 раз. Технология внедрена на водопроводных очистных сооружениях производительностью 30 и 240 тыс. м³ /сутки, а также в восьми городах и поселках Кузбасса. Однако данный метод обеззараживания, снимающий многие проблемы, присущие электрохимическому получению гипохлорита натрия на месте применения, целесообразно использовать в тех городах, где существуют предприятия химической промышленности, которые выпускают указанный продукт. В противном случае потребуются перевозки гипохлорита натрия спецтранспортом, что может существенно ухудшить экономические показатели процесса обеззараживания воды.

Гипохлорит кальция содержит больше активного хлора и более стабилен, чем гипохлорит натрия. Однако при его растворении в воде образуется не только хлорноватистая кислота, но и гидроксид кальция, из-за чего раствор гипохлорита кальция имеет сильно щелочную реакцию. Так, даже 1%-ный раствор гипохлорита кальция имеет рН 10–11, и при его введении обрабатываемая вода подщелачивается.

Перманганат калия удобен тем, что не образует веществ с непри ятным запахом, не дает побочных эффектов. Его растворы допускают длительное хранение. Из-за сильного окисляющего воздействия он расходуется в первую очередь на взаимодействие с органическими и неорганическими веществами в воде, что мешает дезинфицирующему действию. К тому же его дезинфицирующее действие ниже, чем у хлора и озона. Поэтому для дезинфекции воды перманганат калия редко применяется самостоятельно. Используется для перевода солей двухвалентного железа и марганца в четырехвалентное состояние, в котором они легко гидролизуются (см. раздел об обезжелезивании воды).

К недостаткам перманганата калия следует отнести его высокую стоимость, дефицитность и опасность передозировки, поскольку марганец в питьевой воде нормируется на уровне 0,1 мг/л.

Пероксид водорода стало возможным применять в технологии водообработки только после освоения удобных и дешевых методов его получения (анодное окисление бисульфита или серной кислоты или прямое окисление изопропилового спирта). В то же время пероксид водорода токсичен, и его содержание в воде ограничивается по санитарно-токсикологическому признаку вредности уровнем 0,1 мг/л, в то время как дезинфицирующее действие пероксид водорода проявляет на уровне единиц и сотен мг/л.