Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
. ИОНЫ МЕТАЛЛОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЯХ
ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР) 15
1.1. Антимикробное и вирулицидное действие ионов некоторых
тяжелых металлов 15
Серебро 15
Медь и цинк 28
1.2. Химический метод борьбы с «цветением» воды 30
1.3. Медь и цинк в формировании почвенного плодородия и
развитии сельскохозяйственных растений и живот
ных 40
Выводы по первой главе 48
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ И
ПРИМЕНЕНИЯ БАКТЕРИЦИДНЫХ ПРЕПАРАТОВ НА ОСНОВЕ
ИОНОВ СЕРЕБРА, МЕДИ И ЦИНКА 50
Влияние способа получения на активность дезинфектантов, содержащих ион серебра (I) 50
Сравнительная оценка медьсодержащих дезинфектантов, полученных различными способами 53
Влияние примесей воды на растворимость образующихся
солей серебра, медии цинка 55
2.4. Влияние основных ионных примесей природной воды на бак
терицидные свойства катионов серебра и меди 61
Активность ионов серебра(І) 61
Активность ионов меди (II) 63
Влияние некоторых катионов-примесей природной воды на активность Си2+ и Zn2+ 65
Ионы меди (И) 65
Ионы цинка 67
2.5. Зависимость индивидуальной активности ионов меди, серебра
и цинка от водородного показателя (рН) 68
2.6. Температурный фактор инактивации тест-микроорганизмов
E.coli 68
Выводы по второй главе 71
3. БАКТЕРИЦИДНЫЕ СМЕСИ ПРОЛОНГИРОВАННОГО ДЕЙСТ
ВИЯ: ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА 72
Критерии выбора 72
Сравнительная оценка индивидуальных и смесевых ионных дезинфектантов по их бактерицидной активности 74
Сухая бактерицидная смесь и ее свойства 77
Подбор исходных ингредиентов 78
Бактерицидные и бактериостатические свойства смесей различного состава 79
Влияние сроков хранения на дезинфицирующие свойства смеси 81
3.4. Концентрированный бактерицидный раствор на основе ионов
серебра и меди 83
Подбор исходных ингредиентов 83
Стабилизация бактерицидной активности раствора аммиаком. 84
О причинах сохранения бактерицидной активности аммиачного комплекса серебра 88
Исследования активности аммиачных медно-серебряных растворов различного состава 91
Влияние сроков хранения на дезинфицирующие свойства растворов 93
Расчет ингредиентов для получения требуемых количеств
бактерицидных смесей различного состава 95
Выводы по третьей главе 95
4
4. ПРИМЕНЕНИЕ ИОННЫХ БАКТЕРИЦИДНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ ПО
ВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАДИЦИОННЫХ ДЕЗИНФЕК-
ТАНТОВ 101
4.1. Сочетание «хлор-ионная бактерицидная смесь» 101
Необходимость повышения эколого-гигиенической эффективности процесса обеззараживания воды хлором 101
Изучение совместного бактерицидного действия хлора и ионной смеси 104
Антибактериальная устойчивость воды, обработанной хлором
и ионной смесью 106
4.2. Сочетание «озон-ионная бактерицидная смесь» 108
Необходимость повышения эколого-гигиенической эффективности процесса обеззараживания воды озоном 108
Методика проведения экспериментов 113
Антибактериальная устойчивость воды, прошедшей обработку озоном и озоно-ионной бактерицидной смесью 114
Сочетанная активность озона и ионной бактерицидной смеси... 115
Применение ионной смеси для разложения озона в воде 118
Выводы по четвертой главе 121
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИОННОЙ БАКТЕРИЦИДНОЙ СМЕСИ ДЛЯ
ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ СРЕДСТВ ВОДООЧИСТКИ,
ПРИМЕНЯЕМЫХ НА ТЕРРИТОРИЯХ С ЧРЕЗВЫЧАЙНОЙ ЭКО
ЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИЕЙ 122
5.1. Применение бактерицидной смеси в переносных фильтрах 123
Тканево-угольный фильтр ТУФ-200 123
Переносной фильтр ПФ-200 125
Применение бактерицидной смеси в станциях опреснения для предотвращения бактериального загрязнения воды 128
Бактерицидная смесь для длительного хранения воды в цистернах 131
Выводы по пятой главе 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 140
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 143
ПРИЛОЖЕНИЯ 162
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из самых острых и болезненных проблем, чреватых социально-экологическими потрясениями в отдельных регионах планеты, ныне стала нехватка питьевой воды надлежащего качества. Не случайно, ООН провозгласила 2003 год «годом чистой питьевой воды» [1].
Особенность проблемы обеспечения населения России питьевой водой заключается не в дефиците, а в загрязнении и деградации водных ресурсов [2,3]. Эффективность ее решения не только влияет на состояние здоровья граждан, но и определяет уровень экологической безопасности в ряде регионов страны, обуславливает возникновение в некоторых из них социальной напряженности, превращаясь в конечном итоге в важнейший фактор национальной безопасности страны [3,4,9].
Низкая эффективность водоочистных сооружений в сочетании с антропогенным загрязнением природных водных объектов - источников питьевого водоснабжения - вызывает высокий уровень заболеваемости кишечными инфекциями, гепатитом, а также способствует возрастанию риска воздействия канцерогенных факторов на организм человека [4-8]. Каждый второй житель России потребляет воду, не соответствующую по ряду показателей гигиеническим требованиям. Около трети населения страны пользуется нецентрализованными источниками водоснабжения без соответствующей водоподготовки, а в ряде регионов страдает от недостатка питьевой воды и отсутствия связанных с этим надлежащих санитарно-бытовых и экологических условий - основ здоровой жизни [9-11].
Выявившуюся на протяжении последних лет тенденцию сокращения численности населения страны многие ученые и специалисты также связывают с адекватно ухудшающимся качеством питьевой воды. Согласно Л.И. Эльпинеру [6], до 80 % заболеваний определяется именно водным фактором.
Практически все природные источники питьевой воды подвергаются антропогенному воздействию разной интенсивности. Согласно данным главного
7 санитарного врача России Г.Г. Онищенко [7,8], происходит ухудшение качества воды с 1995 г., в ряде регионов уровень химического и микробиологического загрязнения водоемов остается высоким, в основном из-за сброса неочищенных производственных и бытовых стоков. При этом наиболее сильно поверхностные воды загрязнены в бассейнах Волги, Дона, Иртыша, Невы, Северной Двины, Тобола, Томи и ряда других рек. Что касается качества воды, формирующегося в системах централизованного водоснабжения, здесь следует исходить из трех вполне очевидных положений: 1) природная вода, поступившая на станцию водоподготовки, должна быть очищена от вредных химических ингредиентов и обеззаражена без сопутствующего образования в ней побочных токсичных веществ; 2) питьевая вода, поступающая в распределительную сеть, должна на всем ее протяжении удовлетворять нормативным требованиям по микробиологической безопасности; 3) в распределительной и внутридомовой сетях должно быть исключено вторичное химическое и биологическое загрязнение воды. Тем не менее системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, особенно крупные, стали не только мощным фактором перманентного отрицательного воздействия на все компоненты биосферы, но и в ряде случаев (авария, теракт, природный катаклизм) могут вызвать чрезвычайную ситуацию с тяжелыми последствиями для населения, животного и растительного мира [12].
Именно поэтому возникла насущная необходимость экологизации централизованного водоснабжения и водоотведения, прежде всего повышения уровня экологической безопасности водопользования на всем пространстве - от источника и бассейна водосбора до потребителей и далее на стадии сброса очищенных коммунально-бытовых сточных вод в природные объекты. Иначе, будет происходить ухудшение существующих и пока не задействованных в полной мере природных источников питьевого водоснабжения. Уже сейчас более 70 % наших рек и озер и 30 % подземных вод потеряли питьевое значение; более 1 млн.человек каждый год страдает кишечными и другими заболеваниями от грязной воды в источниках [4]. При сохранении нынешней экономиче-
8 ской ситуации уже через 15 лет 71,5 % от всего населения России, пользующегося централизованным водоснабжением, будет пить воду, не отвечающую санитарным нормам, а это 48 % всего населения страны; 30 - 33 % населения по-прежнему будут пить воду непосредственно из природных источников неизвестного качества и около 20 % населения перейдут преимущественно на буты-лированную или специально доочищенную для них воду [13].
По ориентировочным и достаточно осторожным подсчетам Министерства природных ресурсов России суммарный ущерб от ухудшения санитарно-экологического состояния водных объектов составляет величину порядка 50 млрд.руб. в год [14].
Особенно большие проблемы возникают при необходимости обеспечения доброкачественной водой населения территорий, пострадавших от стихийных бедствий. Примерами последнего времени здесь служат происшедшие в 2002 г. катастрофические наводнения на Северном Кавказе, а также разрушения, вызванные землетрясением и волной цунами в Юго-Восточной Азии (декабрь 2004 г.). Выход из строя систем централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, основанных на использовании хлора, сложность доставки последнего в условиях разрушения транспортных путей, явно недостаточное количество мобильных и модульных систем водоснабжения, могущих функционировать в чрезвычайных условиях и способных создавать запасы питьевой воды, устойчивой ко вторичному (внешнему) бактериальному загрязнению (что особенно важно в условиях жаркого климата), неизбежно усиливают социально-гигиенические и экологические последствия происшедших ЧС. Укажем, что в результате экологической катастрофы в ЮВА около 5 млн. жителей пострадавших 12 стран оказались практически без питьевой воды. Вышеизложенное требует пристального внимания и у нас в стране: согласно прогнозам Центра стратегических исследований МЧС РФ, первая четверть XXI века для России будет характеризоваться ростом числа природных и техногенных катастроф [15-17].
9 Закон РФ «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» [18] признаёт возможность возникновения ЧС техногенного характера при аварии систем водоснабжения и в качестве приоритетных целей провозглашает: предупреждение возникновения и развития ЧС, снижение размеров ущерба и потерь от ЧС, ликвидация ЧС. В свою очередь Правительство РФ подтверждает, что существенное отставание России от развитых стран по средней продолжительности жизни, а также повышенная смертность (особенно детская) в значительной мере связаны с потреблением недоброкачественной питьевой воды [2,4].
Сказанное в полной мере относится к обеззараживанию воды - главному барьеру на пути передачи водных инфекций. Согласно статистике, в России более 11 % проб питьевой воды не удовлетворяют требованиям действующего ГОСТа по бактериологическим показателям [3]. Фиксируется постоянный рост числа бактериальных и вирусных заболеваний, распространяемых водным путем. Такое положение требует нового подхода к обеспечению эпидемиологической безопасности и, в частности, стимулирует научные исследования по совершенствованию имеющихся и внедрению принципиально новых технологий обеззараживания, характеризующихся не только эффективностью, но и «эколо-гичностью». На это ориентирует и новый Закон РФ «Охрана окружающей среды» [19].
Обеззараживание является одним из ведущих этапов водоподготовки, его роль, в связи с повсеместным прогрессирующим микробным загрязнением источников водоснабжения, непрерывно возрастает. Главная цель обеззараживания питьевой воды - это безопасная для человека и окружающей природной среды, экономически оправданная и технологически достижимая профилактика эпидемических заболеваний, передающихся водным путем [20-22].
В современных условиях обеззараживание питьевой воды превратилось в комплексную проблему: ее необходимо рассматривать с учетом эпидемиологической, гигиенической, экологической, экономической и технологической составляющих [23, 24].
10 Многие из перечисленных проблем характерны и в отношении водоснабжения сельских населенных пунктов (особенно труднодоступных), а также военных баз, гарнизонов, временных дислокаций воинских частей.
В настоящее время начала реализовываться Национальная программа «Вода России - XXI век». Её целью является достижение устойчивого водопользования к 2015 г., создание благоприятной экологической обстановки в водных бассейнах, обеспечение безопасного состояния и эксплуатации очистных сооружений, защита населения и объектов экономики от вредного воздействия вод.
В качестве первоочередных мероприятий предусматривается совершенствование методов и средств физико-химической очистки воды путем использования процессов тонкослойного осаждения, интенсификация реагентной обработки, процессов озонирования и сорбции на угольных фильтрах и порошковых сорбентах, использования мембранной технологии. Для регионов с напряженной экологической обстановкой, особенно маловодных, перспективными являются блочные (контейнерные) очистные установки малой производительности, а также локальные бытовые и групповые установки глубокой доочистки воды.
Все это выдвигает необходимость поиска новых химических реагентов для надлежащей подготовки воды питьевого и технологического назначения, особенно тех, которые повышают эффективность традиционных крупнотоннажных, экологически опасных дезинфектантов в сочетании с приемлемой стоимостью и доступностью. Обязательно следует добавить к этому перечню и возможность длительной сохранности питьевой воды, что важно в условиях происшедшей ЧС.
Исследования выполнялись в соответствии с планами НИОКР МЧС России по созданию мобильного комплекса первоочередного жизнеобеспечения пострадавшего населения в районах чрезвычайных ситуаций (ЧС) в рамках Федеральной целевой программы «Создание и развитие Российской системы пре-
дупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях», работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 04-06-96802).
Целью диссертационной работы явилось повышение технико-экономической эффективности процесса химико-биоцидной обработки воды воздействием неорганических активаторов ионной природы (индивидуально, в смеси или в сочетании с известными дезинфектантами) в установках водоснабжения, функционирующих на территориях с напряженной экологической обстановкой.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
выполнить анализ литературных источников, посвященных применению ионных бактерицидов в водной среде, с тем, чтобы с экологических, санитарно-гигиенических и технико-экономических позиций уточнить критерии их выбора и последующего использования;
установить кинетические закономерности процесса инактивации тест-микроорганизмов в присутствии ионов меди, серебра и цинка, полученных различными способами в широком диапазоне технологических параметров и определить условия и границы эффективного индивидуального применения ионных бактерицидов;
с учетом требований технико-экономического и эколого-гигиенического характера разработать рецептуры бактерицидных растворов и сухих смесей, обеспечивающих высокий уровень обеззараживания воды и сохранение антибактериальной активности в течение длительного времени;
установить условия и границы применимости разработанных бактерицидных смесей с крупнотоннажными химическими дезинфектантами (молекулярный хлор и озон), обеспечивающие снижение их доз и уровня экологической опасности;
разработать рекомендации по применению разработанных бактерицидных смесей для повышения эффективности переносных средств водоочистки и
12 мобильных средств опреснения для первоочередного водообеспечения населения, пострадавших в результате ЧС.
Научную новизну диссертационного исследования составляют:
теоретически обоснованная и экспериментально установленная высокая бактерицидная активность ионов цинка и меди (И), полученных электролизом или растворением соответствующих солей;
кинетические закономерности обеззараживания воды в присутствии малых (ниже ПДК) концентраций ионов меди, цинка и серебра в широком интервале рН и температуры воды, содержащей различные примеси, которые вызывают осадкообразование;
явление стабилизации бактерицидных и бактериостатических свойств ионов серебра или меди посредством введения аммиака в количестве 5% от стехиометрии;
высокая антибактериальная активность аммиачных комплексов серебра и меди, сохраняющаяся в течение длительного времени;
синергетический бактерицидный эффект в сочетании с бактериостати-ческой эффективностью, имеющий место при озоно-ионной обработке природной воды.
Практическую ценность результатов работы составляют:
- рецептуры бактерицидных смесей на основе сульфатов и нитратов меди
и серебра, характеризующихся высокой активностью и антибактериальным по
следействием при малой чувствительности к примесям воды, которые перево
дят ионы серебра в малорастворимое и соответственно малоактивное состоя
ние;
- интенсификация процесса химико-биоцидной обработки воды при
меньших дозах используемых основных дезинфектантов, достигаемая реализа
цией комбинаций: «хлор-бактерицидная смесь» и «озон-бактерицидная смесь»;
- рекомендации по применению бактерицидных смесей в качестве фи
нишных дезинфектантов в переносных фильтрах очистки воды, мобильных и
контейнерных установках опреснения, повышающих эффективность и эколо
13 гичность их эксплуатации на территориях с кризисной экологической обстановкой.
На защиту выносятся:
технико-экономические и экологические критерии подбора бактерицидных препаратов в ионной форме для использования их в технологиях химико-биоцидной обработки воды, реализуемых в условиях ЧС;
система доказательств целесообразности сочетания традиционных де-зинфектантов (хлора и озона) с разработанной бактерицидной смесью, позволяющего снизить их расход и энергозатраты в сочетании со снижением количества поступающих в среду обитания вредных химических веществ;
эколого-экономическое обоснование направления модернизации носимых и мобильных средств водоочистки и опреснения, позволяющей более эффективно использовать последние в практике полевого водоснабжения, а также на территориях, пострадавших в результате ЧС природного или техногенного характера;
принципы создания природосберегающих активированных химико-биоцидных технологий обработки воды, основанных на применении веществ, которые, обладая самостоятельной бактерицидной активностью, усиливают таковую основных дезинфектантов.
Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:
Современные методы обеззараживания / В.Н. Чумакова. // Мелиорация антропогенных ландшафтов: Межвузовский сборник научных трудов. -Т.20. - Новочеркасск, НГМА, 2004. - С. 171-174.
Инактивация микроорганизмов в условиях высоких температур и сочетанного воздействия УФ-лучей и бактерицидных ионов / А.И. Ажгиревич, И.А. Денисова, В.Н. Чумакова, В.В. Денисов / - // Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Технические науки. -2004. - Прил. 9. - С. 171-174.
Усиление бактерицидных и бактериостатических свойств озона сочетанием с ионами серебра или меди. / В.В. Денисов, В.В. Гутенев, В.Н. Чума-
14 кова, М.Б. Хасанов. // Проблемы природопользования и обеспечение экологической безопасности: Межвузовский сборник научных трудов. - Т.22. - Новочеркасск, НГМА. 2004. - С. 174-182.
4. Экологически приемлемые технологии неорганических бактерици
дов и их применение в ЧС / И. А. Денисова, Е.Н. Гутенева, В.Н. Чумакова /. - //
Экология и безопасность жизнедеятельности: Сб. материалов IV Международ
ной научно-практической конференции. - Пенза, 2004. - С.35-36.
Усиление бактерицидных и бактериостатических свойств УФ-лучей сочетанием с ионами некоторых металлов / А.И. Ажгиревич, В.Н. Чумакова, В.В. Денисов/. - // Проблемы природопользования и обеспечение экологической безопасности: Межвузовский сборник научных трудов. - Т.22. - Новочеркасск, НГМА. 2004.-С. 183-192.
Критерии выбора технологии обеззараживания природных вод в условиях ЧС / Е.Н. Гутенева, В.Н. Чумакова, В.В.Денисов, И.М. Викулов. / - // Проблемы природопользования и обеспечение экологической безопасности: Межвузовский сборник научных трудов. - Т.22. - Новочеркасск, НГМА. 2004. -С.160-174.
Доступные формы микроэлементов с питьевой и оборотной водой. / И.А. Денисова, В.Н. Чумакова, СВ. Кондратова, В.В. Денисов /. - // Проблемы природопользования и обеспечение экологической безопасности: Межвузовский сборник научных трудов. - Т.22. - Новочеркасск, НГМА. 2004. - С.73-82.
Химический метод борьбы с «цветением» воды. / Москва. / Н. И. Татаринцева, И.А. Денисова, В.В. Гутенев, В.Н. Чумакова /. - // Вода и экология: Проблемы и решения. - 2005. - №1. - С.41-49.
Изучение бактерицидного акт-та и выбор ионных дезинфектантов. / Москва. / В.В. Гутенев, И.А. Денисова, В.Н. Чумакова /. - // Экологические системы и приборы. - 2005. - №6. - С.27-29.
