Хлор и хлорамин в водопроводной воде

Чем свободный хлор отличается от хлорамина в водопроводной воде, зачем его применяют, почему он не улетучивается и почему дехлорирование высвобождает аммиак, опасный для рыб.

Два дезинфектанта с одной задачей

Водопроводную воду обеззараживают, чтобы предотвратить болезни, передающиеся через воду, например холеру и брюшной тиф. В учебном материале по аквакультуре UF/IFAS Extension отмечается, что почти все коммунальные системы водоснабжения США используют хлор, а многие дополнительно добавляют аммиак как вторичный дезинфектант. Хлор и аммиак образуют хлорамин — соединение, высокотоксичное для рыб и других водных животных. По данным EPA США, коммунальные службы применяют хлорамины с 1930-х годов, и больше чем каждый пятый американец пьёт воду, обработанную ими.

При растворении газообразного хлора образуются хлорноватистая кислота (HOCl) и соляная кислота; HOCl, в свою очередь, диссоциирует до гипохлорит-иона (OCl⁻), и соотношение между ними зависит от pH. В водоподготовке HOCl и OCl⁻ вместе называют «свободным активным хлором». При реакции HOCl с аммиаком образуется монохлорамин (NH₂Cl), а при избытке хлора — дихлорамин (NHCl₂) и трихлорид азота (NCl₃). Эти хлорамины называют «связанным хлором», а сумму свободного и связанного хлора — общим остаточным хлором. При хлораминировании на водоканале соотношение хлора и аммиака регулируют так, чтобы преобладал монохлорамин; Википедия приводит реакцию образования NH₃ + NaOCl → NH₂Cl + NaOH.

Почему водоканалы перешли на хлорамин

Главная причина — побочные продукты дезинфекции. Свободный хлор реагирует с природной органикой, образуя тригалометаны и галогенуксусные кислоты, часть которых связывают с раком и поражением органов. EPA начало регулировать побочные продукты дезинфекции в 1979 году, а монохлорамин гораздо слабее свободного хлора превращает органику в хлорированные соединения вроде хлороформа. По данным EPA, часть систем перешла на хлорамины как вторичный дезинфектант именно ради соблюдения этих норм.

Вторая причина — стойкость. Хлорамин — более слабый и медленный дезинфектант, чем свободный хлор, но он гораздо стабильнее, поэтому остаточная концентрация сохраняется в длинных распределительных сетях вплоть до крана потребителя. Википедия указывает предел EPA для хлорамина в коммунальной воде 4 ppm в пересчёте на скользящее среднегодовое значение. Монохлорамин также устойчивее к свету, чем гипохлорит.

Стойкость: почему отстаивания и аэрации недостаточно

Свободный хлор — летучий газ, который со временем и при перемешивании уходит из воды. В эксперименте UF/IFAS интенсивная аэрация хлорированной водопроводной воды в течение 24 часов сильно снижает или полностью убирает показание хлора, тогда как хлораминированная вода после такой же аэрации всё ещё показывает хлор и сохраняет весь аммиак. В материале поясняется, что хлор соединяют с аммиаком именно для того, чтобы он оставался активным и не улетучивался.

Региональный поставщик воды Tampa Bay Water предупреждает, что монохлорамин может разрушаться неделями и что отстаивание воды — небезопасный способ его удаления. Обзор методов дехлорирования для рыбоводных хозяйств также относит к недостаткам интенсивной аэрации то, что она «не удаляет хлорамины».

Химия дехлораторов: тиосульфат и проблема аммиака

Тиосульфат натрия (Na₂S₂O₃) — восстановитель: он восстанавливает гипохлорит и хлор до хлорида, а сам окисляется до сульфата. Его применяют для дехлорирования воды на очистных сооружениях, а также для аквариумов, бассейнов и спа. В тесте UF/IFAS добавление тиосульфата в хлорированную воду за несколько минут снижает показание хлора до 0,0 ppm.

С хлорамином результат другой. Тиосульфат удаляет хлорную часть молекулы, поэтому показание хлора тоже падает до нуля, но аммиак, связанный в хлорамине, высвобождается и остаётся измеримым. Опасен ли этот аммиак, зависит от pH: общий аммиак существует в виде токсичного неионизированного аммиака (NH₃) и гораздо менее токсичного аммония (NH₄⁺), и, согласно информационному листку SRAC об аммиаке, токсичная доля возрастает примерно в 10 раз на каждую единицу роста pH, а также растёт с температурой. Поэтому высвобожденный аммиак опаснее в щелочной воде, чем в кислой. Тиосульфат также расходует растворённый кислород, поэтому обработанную воду перед использованием следует аэрировать.

Только свободный хлор: его удаляет дехлоратор-восстановитель или длительная аэрация.
Хлорамин: дехлоратор-восстановитель удаляет хлор, а высвобожденный аммиак затем нужно связать или удалить — например, цеолитом (минералом, адсорбирующим аммиак), кондиционером, на этикетке которого указано действие против хлорамина и аммиака, или зрелым биофильтром.
Активированный уголь: гранулированный активированный уголь удаляет хлорамин только при достаточном времени контакта и свежей качественной загрузке; угольный слой требует периодической замены или реактивации.
Обратный осмос в подходящих условиях также удаляет хлорамин, но его работу нужно контролировать.

Практическое дозирование кондиционеров и подготовка воды для больших подмен описаны в отдельном руководстве по дехлорированию (dechlorination-guide).

Тестирование водопроводной воды

Свободный и общий хлор измеряют раздельно; разница между общим и свободным хлором приблизительно соответствует связанному хлору, в основном монохлорамину. Для обоих показателей существуют колориметрические DPD-тесты и тест-полоски. Простой подход из материала UF/IFAS — проверить свежую водопроводную воду на хлор и на аммиак: хлор без аммиака указывает на свободный хлор, хлор вместе с аммиаком — на хлораминирование. Если после дехлоратора аммиак сохраняется, это подтверждает присутствие хлорамина. Некоторые кондиционеры, связывающие аммиак, искажают отдельные тесты на аммиак, поэтому показания после обработки нужно трактовать осторожно.

Влияние на биологический фильтр

Остаточный хлор вредит не только рыбам, но и нитрифицирующим бактериям биофильтра, поэтому воду дехлорируют до того, как она попадёт в аквариум. Аммиак, высвобождающийся из хлорамина, — тот же субстрат, который нитрифицирующие организмы окисляют до нитрита, а затем до нитрата; исследования питьевой воды описывают именно этот процесс в хлораминированных распределительных сетях. В аквариуме зрелый биофильтр способен переработать умеренное количество высвобожденного аммиака, а новый или нарушенный — нет, поэтому большие подмены хлораминированной водой рискованнее в незапущенных или недавно пролеченных системах.