Введение к работе
Актуальность исследований. В последние годы в Российской Федерации сложилась неблагоприятная ситуация в обеспечении населения доброкачественной питьевой водой. Несмотря на актуальность этой проблемы и усилия направленные на ее решение, в Государственном докладе "О санитарно-эпидемиологической обстановке в России в 1994 году", отмечено, что существенных позитивных изменений в качестве подаваемой населению питьевой воды в большинстве территорий в последнее время не произошло. Так в 1993-1994 гг., удельный вес объектов хозяйственно-питьевого назначения не отвечающих санитарным нормам составил 19,0 и 19,3% соответственно. Число проб из источников централизованного водоснабжения, не отвечающих гигиеническим нормативам по содержанию солей тяжелых металлов составило 9,3 и 11,6% в 1993 и 1994 годах соответственно. В поверхностных водоисточниках содержание солей тяжелых металлов, превышающее гигиенические нормативы обнаружено в 22,7 и 19,7% проб.
Причинами сложившейся ситуации являются, с одной стороны все возрастающее загрязнение как поверхностных, так и подземных водоисточников, с другой стороны - недостаточная технологическая эффективность водоочистных сооружений. Проблема усугубляется имеющим место дефицитом расходуемых реагентов, качественных фильтрующих материалов.
Применяемые в настоящее время традиционные методы очистки воды позволяют удалить из нее в основном вещества находящиеся во взвешенном состоянии и отчасти микроорганизмы. В отношении многих веществ, находящихся в растворенном состоянии, барьерная роль водоочистных сооружений не существенна ( Красовский Г.Н. с соавт., 1985; Бонашевская Т.И., 1993; Михайлова Р.И. и соавт., 1994, и др.).
Исследованиями целого ряда авторов ( Врочинский К.А., 1973; Королев А.А., 1974; Штанников Е.В., 1979; Красовский Г.Н. с соавт., 1984; Прокопов В.А., Миронец Н.В. и др., 1993; Ткачев Г.Г., 1994) показано, что наиболее перспективным является использование высокоэффективных сорбционных материалов. Преимущество сорбентов заключается в том, что они извлекают из воды вредные примеси, не превращая их в другие соединения, как это случается при использовании окислителей.
В последние годы в нашей стране и за рубежом стремительно возрастает интерес к природным цеолитам. Молекулярно-ситовые свойства, сорбционная активность и селективность по отношению к катионам металлов, предопределяет широкое использование цеолитов в сельском хозяйстве, промышленности, экологии. Однако в области подготовки питьевой и очистки сточных вод они до настоящего времени не получили того уровня применения, который прогнозировался два
десятилетия тому назад. Одной из причин является непостоянство химического состава и строения кристаллической решетки природных цеолитов, которые могут изменяться в пределах одного месторождения, не только в зависимости от типа цеолита, но и от генезиса месторождения, его местонахождения.
Другой причиной, обусловившей также необходимость настоящего исследования, явилось то, что почти нет работ направленных на изучение барьерной роли природных цеолитов по отношению к биологическому (бактериальному и вирусному) загрязнению воды. Не изучены закономерности влияния технологических параметров на гигиеническую надежность водоочистных сооружений при использовании фильтрующих материалов на основе природных цеолитов. Нет работ, дающих сравнительную характеристику цеолитов различных месторождений и позволяющих сделать выбор наиболее эффективного с гигиенических позиций сорбента.
Не изучены возможности использования цеолитов для удаления из воды полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), и эффективность использования для этой цели цеолитов различных месторождений. Многие исследования не адаптированы к реальным условиям и параметрам промышленных масштабов водоподготовки.
Мало работ направленных на изучение и применение в области питьевого водоснабжения цеолитов крупнейших сибирских месторождений.
В литературе имеются сведения о негативном влиянии некоторых факторов на технологический процесс, существенно снижающих возможности использования природных цеолитов как сорбентов. Данные эти разрозненные и не имеют гигиенической интерпретации.
Отсутствуют комплексные гигиенические исследования, всесторонне характеризующие природные сорбенты, предлагаемые для использования в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения, а также принципы и правила на основании которых должны исследоваться и применяться природные сорбенты с целью максимально эффективного использования их специфических свойств. Действующие методические указания по гигиенической оценке фильтрующих материалов и подходы к этой проблеме не позволяют в полной мере оценить гигиенические возможности материалов, обладающих ионообменными, сорбционными и другими специфическими свойствами.
И, наконец, существует необходимость выбора цеолита и его модификации для решения местных гигиенических задач в области подготовки питьевой воды, в зависимости от приоритетности их в определенном регионе по отношению к конкретному классу загрязняющих веществ и создания дополнительных условий для повышения санитарной надежности водоочистных сооружений.
Актуальность проблемы и очевидные пробелы в изучении
природных цеолитов, сдерживающие их хозяйственное использование, послужили основанием для проведения настоящего, комплексного гигиенического исследования свойств природных цеолитов крупнейших месторождений Сибири и Дальнего Востока, по отношению к широкому спектру загрязнителей химического и биологического характера, с выявлением особенностей и закономерностей влияния ряда изменяемых параметров работы водоочистных сооружений на барьерную функцию фильтрующих материалов на основе природных цеолитов.
Работа выполнялась в рамках Республиканской программы Р.087.03"Опытно-промышленные испытания и определение масштабов использования природных цеолитов в народном хозяйстве РСФСР", а также в рамках Республиканской научно-технической программы "Цеолиты России".
Цель работы - разработка гигиенических критериев исследования, применения и санитарно-гигиенического контроля использования природных цеолитов для оптимизации питьевого водоснабжения и санитарной охраны водоемов.
Задачи исследования:
-
Изучить физико-технические и физико-химические свойства природных цеолитов, их влияние на органолептические свойства и санитарно-химические показатели питьевой воды, дать гигиеническую оценку фильтрующих материалов на основе природных цеолитов исследуемых месторождений.
-
Сравнить исследуемые цеолиты в отношении сорбции ионов тяжелых металлов, определить наиболее эффективные сорбенты и оптимальные параметры работы водоочистных сооружений по отношению к тяжелым металлам.
-
Изучить ионообменные свойства цеолитов по отношению к ионам аммония. Выявить влияние параметров работы водоочистных сооружений, модифицирования и регенерации природных цеолитов на эффективность удаления из воды аммония. Исследовать кинетику ионного обмена, эффективную ионообменную емкость и возможность ее повышения в условиях работы водоочистных сооружений.
4. Определить гигиеническую эффективность природных цеолитов
как сорбентов полициклических ароматических углеводородов
(3.4.бензпирена). Изучить гигиеническую надежность фильтрующих
материалов на основе природных цеолитов по отношению к БП в
длительном эксперименте, а также в реальных условиях работы
водоочистных сооружений.
5. Дать сравнительную характеристику свойств природных
цеолитов по отношению к микробному и вирусному загрязнению воды.
Изучить факторы влияющие на сорбционную активность цеолитов по
отношению к биологическому загрязнению воды. Разработать оптимальные параметры фильтрования, модифицирования и регенерации сорбентов для повышения гигиенической надежности водоочистных сооружений по отношению к микробному и вирусному загрязнению воды.
6. Изучить гигиеническую эффективность и свойства фильтрующих материалов на основе природных цеолитов на действующих водоочистных сооружениях, а также при очистке реальных хозяйственно-бытовых сточных вод.
Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в разработке теоретических, методических и практических аспектов проблемы применения и гигиенического контроля природных цеолитов в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения и санитарной охраны водоемов.
В процессе выполнения исследований впервые получены следующие научные результаты:
- изучены физико-химические свойства природных цеолитов
крупных месторождений Сибири и Дальнего Востока как фильтрующих
материалов для подготовки питьевой воды и очистки сточных вод;
- в лабораторных и промышленных условиях определено влияние
исследуемых цеолитов на органолептические свойства и санитарно-
химические показатели питьевой воды при их использовании в качестве
фильтрующих материалов;
- дана сравнительная характеристика гигиенической
эффективности цеолитов крупнейших месторождений Сибири по
отношению к ряду приоритетных загрязнителей природных вод - ионам
аммония, тяжелым металлам, 3.4.бензпирену, микроорганизмам и
вирусам;
- установлены закономерности влияния параметров работы
водоочистных сооружений на гигиеническую эффективность
использования природных цеолитов при подготовке питьевой воды и
очистке сточных вод от загрязняющих веществ различных классов;
доказана возможность повышения гигиенической эффективности использования природных цеолитов путем подбора сорбента, определения оптимальных условий его использования, модифицирования и регенерации в процессе эксплуатации фильтрующего материала;
обоснована методика комплексного гигиенического исследования фильтрующих материалов на основе природных сорбентов для использования в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения;
предложена концепция эффективного использования природных цеолитов в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения и санитарной охраны водоемов по отношению к различным классам загрязняющих
веществ включающая в себя основные этапы лабораторного изучения цеолитов, натурные эксперименты и промышленные испытания.
Практическая значимость и внедрение результатов исследований
По материалам исследования получены разрешения МЗ РСФСР на применение цеолитов Пегасского (письмо № 23-01/17-668 от 11.10.90) и Холинского (письмо № 23-10/17-380 от 24.05.90) месторождений в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения.
Исследованные цеолиты включены в "Перечень материалов и реагентов разрешенных для применения в практике хозяйственно-питьевого водоснабжения" № 5058 от 20.09.89.
Результаты исследований использованы при окончательной оценке разведанных месторождений (акт внедрения от 12.11.90).
Материалы исследований цеолитов использованы при проектировании водоочистных сооружений г.Сосновоборска , где природные цеолиты использованы в качестве сорбентов для удаления из питьевой воды 3.4.бензпирена (письмо № 13-156 от 16.12.91), а также при разработке технических условий на фильтрующую загрузку для скорых промышленных фильтров (письмо № 04.111 от 25.09.91).
Рекомендации, обоснованные проведенными исследования внедрены при проведении работ по повышению барьерной роли водоочистных сооружений "Гремячий Лог" в г.Красноярске (справка ВНИИ ВОДГЕО от 17.06.91).
Красноярским НИИ ВОДГЕО результаты работы использованы при разработке методик оценки природных цеолитов в качестве фильтрующих материалов на фильтровальных очистных сооружений "Гремячий Лог" в г.Красноярске (акт внедрения от 05.03.96).
По результатам исследований оформлены четыре заявки на патенты:
-
"Фильтрующий материал для очистки воды" ( на основе цеолитов Холинского месторождения), заявка № 94020907/26 - 020440 от 02.06.96.
-
"Фильтрующий материал для очистки воды" (на основе цеолитов Пегасского месторождения), заявка № 95107741 от 23.05.95.
3. "Фильтрующий материал для очистки воды" на основе цеолитов
Анадырьского месторождения (зявка № 95107639 от 22.05.95.
4. "Фильтрующий материал для очистки воды" ( на основе
цеолитов Чугуевского месторождения), заявка № 95111933/26/020622
от 25.07.95.
Результаты работы доложены и обсуждены:
на Всесоюзном совещании "Использование природных цеолитов в народном хозяйстве", (Кемерово, 1990 г.); на Всесоюзном совещании "Комплексные гигиенические исследования в районах интенсивного промышленного освоения", (Новокузнецк, 1991 г.); на Республиканском совещании "Природныецеолиты России", (Новосибирск, 1991 г.); научно-
практической конференции "Медико-биологические проблемы использования природных цеолитов", (Новосибирск, 1993 г.).
Апробация диссертации проведена на совместном заседании лаборатории патогенеза и экспериментальной терапии пневмокониозов РГМУ и отдела гигиены воды, охраны водных ресурсов и здоровья населения МНИИГ им. Ф.Ф. Эрисмана.
Публикации. По изучаемой проблеме опубликовано 23 печатных работы в журналах и сборниках.
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, обзора литературы, главы посвященной обоснованию
направлений и этапов работы, выбору и характеристике исследуемых
материалов, модельных микроорганизмов и загрязнителей, методам
исследований, шести глав собственных исследований, обсуждения
результатов, выводов, списка использованной литературы и приложений.
Текст изложен на страницах машинописи,
иллюстрирован таблицами, из которых 52 находятся в приложениях,
рисунками, 1 фотографией, указатель литературы содержит 242
наименования работ, из них 166 отечественных и 76 иностранных авторов,
имеет приложений.