Содержание к диссертации
Введение
1. Химические и физические экологические факторы инактивации нежелательных микроорганизмов в пресной воде (литературный обзор и обоснование концепции диссертационной работы) 19
1.1. Питьевое водоснабжение населения в контексте экологически устойчивого развития страны 19
1.2. Основные направления государственной политики в области обеспечения населения России питьевой водой 20
1.3. Состояние и перспективы развития систем централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения страны 23
1.4. Состояние обеспечения питьевой водой сельских населенных пунктов и территорий, подвергшихся воздействию ЧС 26
1.5. Характеристика методов обеззараживания воды в системах питьевого и оборотного водоснабжения 29
1.5.1. Критерии выбора метода обеззараживания воды 29
1.5.2. Классификация методов обеззараживания вод различной категории 32
1.5.3. Хлорсодержащие бактерициды: экологические и санитарно-гигиенические аспекты применения 34
1.5.4. Кислородсодержащие препараты: экологические и санитарно-гигиенические аспекты применения 59
1.5.5. Факторы воздействия УФ-лучей на микроорганизмы и среду их обитания 81
1.5.6. Бактерицидные свойства ионов некоторых металлов 103
1.6. Обоснование концепции диссертационной работы 106
2. Исследование бактерицидных и бактериостатических свойств ионов некоторых тяжелых металлов 111
2.1. Методика проведения экспериментов 111
2.1.1. Биологический объект исследований , 113
2.1.2. Экспериментальные установки и материалы 112
2.2. Серебросодержащие бактерицидные препараты 119
2.2.1. Сульфат серебра 119
2.2.2. Аммиачный комплекс серебра 123
2.2.3. Электроды из низкопробного серебра и экологические особенности их электрохимического растворения 128
2.3. Исследование процесса отмирания бактерий в присутствии ионов меди(Н) 132
23Л. Влияние концентрации Си , температуры и реакции среды на антибактериальные свойства ионов меди 132
2.3.2. Влияние анионного состава воды на бактерицидную активность ионов меди 135
2.3.3. Влияние некоторых катионов-примесей природной воды на бактерицидную активность Си2+ 137
2.3.4. Бактерицидные свойства ионов меди(И), полученных электролизом 139
2.4. Исследование бактериостатических свойств препаратов различной химической природы 142
2.4.1. Хлорсодержащие препараты 142
2.4.2. Ионы цинка 144
2.4.3. Ионы меди 147
2.4.4. Бактерицидная устойчивость воды, обработанной ионами серебра различного генезиса 149
2.4.5. Антибактериальная устойчивость воды, содержащей ДАА-катионы 150
2.5. Определение границ индивидуальной применимости бактериостатиков ионной природы 154
2.5.1. Условия существования серебра в наиболее эффективной для бактерицидного действия форме 154
2.5.2. Условия применения медь-цинксодержащих препаратов для обеззараживания воды 158
Выводы 160
3. Исследование хлорсеребряного метода обеззараживания природной воды и возможности минимизации потребности в хлоре 162
3.1. Сравнительная оценка бактерицидной активности молекулярного хлора и ДАА-катионов 162
3.2. Изучение сочетанного бактерицидного действия хлора и ДАА-катионов 165
3.3. Технология и аппаратурное оформление хлорсеребряного метода обеззараживания воды 168
3.3.1. Постановка задачи и варианты ее реализации 168
3.3.2. Расчетные показатели работы установки синтеза ДАА-катионов 170
3.3.3 Технологическая схема и основная аппаратура 172
3.4. Технико-экономические показатели вариантов комбинированного обеззараживания воды 177
3.4.1. Недостатки двойного хлорирования воды в системах централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения (на примере г. Новочеркасска) 177
3.4.2. Хлорсеребряный метод обеззараживания воды 179
3.5. Финишное обеззараживание воды растворимым аммиачным комплексом серебра 182
3.5.1. Стабилизация бактерицидной активности сульфата серебра 182
3.5.2. Технологическая схема обеззараживания и стабилизации питьевой воды при помощи растворимого аммиачного комплекса серебра 185
3.6. Снижение потребности в хлоре при реализации хлорсеребряного метода обеззараживания воды (на примере реальных очистных сооружений водопровода) 188
3.6.1. Вариант№ 1: ДАА-катионы 190
3.6.2. Вариант № 2: аммиачный комплекс серебра (на основе Ag2S04) 191
3.7. Изменение химического состава воды при обеззараживании хлорсеребряным методом 193
3.7.1. Финишное обеззараживание воды ДАА-катионами, полученными электролитическим путем 193
3.7.2. Финишное обеззараживание при помощи аммиачного комплекса серебра 194
Выводы 196
4. Активированные технологии обеззараживания воды, включающие кислородсодержащие препараты и катализаторы 198
4.1. Интенсификация процесса обеззараживания воды комбинированным воздействием озона, ионов серебра и меди 198
4.1.1. Пролонгация бактериальной устойчивости озонированной воды ионами серебра 198
4.1.2. Сочетанное антимикробное действие озона и ионов серебра 200
4.1.3. Каталитическое действие ионов меди(П) на антибактериальные свойства озона 204
4.1.4. Механизм активации бактерицидного действия озона при введении катализаторов 206
4.2. Влияние катализаторов разложения на бактерицидную активность пероксида водорода 208
4.2.1. Индивидуальная бактерицидная активность пероксида водорода 208
4.2.2. Интенсификация бактерицидного действия пероксида водорода введением катализаторов 209
Выводы 220
5. Активированные технологии обеззараживания воды, включающие уф-облучение, пероксид водорода и катализаторы ионной природы 221
5.1. Влияние ионного состава воды на бактерицидные свойства УФ-лучей 221
5.2. Влияние водородного показателя (рН) на индивидуальную бактерицидную активность ионов меди и серебра, а также УФ-лучей 223
5.3. Повышение антибактериальной устойчивости воды, подвергнутой УФ-обработке 224
5.4. Сочетанное бактерицидное воздействие УФ-облучения и ионов серебра 227
5.5. Комбинированное бактерицидное воздействие УФ-облучения и ионов меди 230
5.6. Сочетанное бактерицидное воздействие УФ-облучения и ионов цинка 231
5.7. Ионно-фотонное обеззараживание воды 232
5.7.1. Комбинация "ионы меди - УФ-лучи" 233
5.7.2. Комбинация "ионы серебра - УФ-лучи" 234
5.8. Интенсификация бактерицидного действия пероксида водорода и ультрафиолета 235
5.8.1. Катализирование ионами серебра 235
5.8.2. Катализирование ионами меди 237
Выводы 242
6. STRONG Варианты применения активированных бактерицидных технологий в системах
водоснабжения и их эколого-экономическое обоснование STRONG 244
6.1. Системы оборотного водоснабжения 244
6.1.1. Схема обеззараживания оборотной воды озоно-ионным методом 244
6.2. Системы питьевого водоснабжения 253
6.2.1. Озон-ионное обеззараживание воды в контейнерных установках 253
6.2.2. Схемы процесса обеззараживания воды, основанного на сочетании пероксида водорода и катализаторов 258
6.2.3. Финишное озон-ионное обеззараживание воды в системах питьевого водоснабжения 260
6.2.4. Финишное фотон-ионное обеззараживание воды в системах питьевого водоснабжения (на примере ОСВ НчГРЭС) 269
6.2.5. Совершенствование узлов обеззараживания в установках очистки воды, эксплуатируемых в зонах чрезвычайной экологической ситуации 278
Выводы 286
7. Социально-экономическое обоснование диверсификации муниципального предприятия водоснабжения в регионах с кризисной экологической обстановкой 289
7.1. Диверсификация унитарных предприятий водоснабжения как направление рационализации структуры водопотребления 289
7.2. Получение питьевой воды улучшенного качества в рамках реального муниципального предприятия водоснабжения 292
7.2.1. Принципиальная технологическая схема доочистки и кондиционирования воды 292
7.2.2. Адсорбция примесей активированным углем 294
7.2.3. Выбор энергосберегающего варианта процесса обеззараживания и консервации воды 295
7.2.4. Фторирование питьевой воды 297
7.2.5. Йодирование питьевой воды 305
7.3. Производство расфасованной питьевой воды для потребления населением в условиях ЧС 306
7.4. Выпуск искусственных минеральных вод 310
Выводы 314
Заключение 316
Общие выводы 325
Литература 331
Приложения 361
- Состояние обеспечения питьевой водой сельских населенных пунктов и территорий, подвергшихся воздействию ЧС
- Серебросодержащие бактерицидные препараты
- Технология и аппаратурное оформление хлорсеребряного метода обеззараживания воды
- Влияние катализаторов разложения на бактерицидную активность пероксида водорода
Введение к работе
Актуальность темы. Исходя из принципов гуманизма, Конституция Российской Федерации провозгласила (ст. 42): "Каждый имеет право на благоприятную окружающую среду, достоверную информацию о ее состоянии и на возмещение ущерба, причиненного его здоровью или имуществу экологическим правонарушением" [1].
В ст. 1 Закона РФ " О безопасности" сказано, что безопасность это состояние защищённости жизненно важных интересов личности, общества и государства от внутренних и внешних угроз [2].
Ныне важным составным элементом национальной безопасности является экологическая безопасность - состояние защищенности жизненно важных экологических интересов человека, прежде всего прав на чистую, здоровую, благоприятную для жизни окружающую природную среду (ОПС) [3].
Нехватка питьевой воды, ныне, как известно, становится одной из самых острых и болезненных проблем, чреватых социально-экологическими потрясениями в отдельных регионах планеты. Не случайно, что ООН провозгласила 2003 год "годом чистой питьевой воды".
Специфика проблемы обеспечения населения России питьевой водой заключается не в дефиците водных ресурсов, а в их загрязнении и деградации [4, 5]. Эффективность ее решения не только непосредственно влияет на состояние здоровья граждан, но и определяет уровень экологической безопасности в ряде регионов страны, обуславливает возникновение в некоторых из них социальной напряженности, превращается в важнейший фактор национальной безопасности страны [5, 6].
Недостаточная 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 степени риска воздействия канцерогенных факторов на организм человека [б - 12]. Каждый второй житель России вынужден использовать для питьевых целей воду, не соот-
ветствующую по ряду показателей гигиеническим требованиям. Почти треть 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 - основных требований здоровой жизни [13, 14].
Проявляющуюся на протяжении последних 10 лет тенденцию сокращения численности населения страны многие ученые и специалисты также связывают с адекватно ухудшающимся качеством питьевой воды. Л.И. Эльпинер [9] утверждает, что до 80 % заболеваний определяется водным фактором. При этом именно болезни выступают как функция нарушения причинно-следственных связей механизмов жизнеобеспечения и формирования здоровья человеческого сообщества со средой его обитания. Эта функция имеет основой дисбаланс меж-и внутривидовых взаимоотношений живых систем и абиотических факторов (в данном случае питьевой воды) различного уровня организации и сложности.
Качество питьевой воды в системах централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, определяется в основном тремя факторами: качеством воды в природных водоисточниках и ее количеством, санитарной и экологической безопасностью технологий водоподготовки, качеством питьевой воды, проходящей через распределительные сети и поступающей к потребителю.
Практически все природные источники питьевой воды подвергаются антропогенному воздействию разной интенсивности. Согласно данным главного санитарного врача России Г.Г. Онищенко [10], 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 во-
доподготовки, должна быть очищена от вредных химических ингредиентов и обеззаражена без сопутствующего образования побочных токсичных продуктов; 2) питьевая вода, поступающая в распределительную сеть, должна на всем ее протяжении удовлетворять нормативным требованиям по микробиологической безопасности: 3) в распределительной и внутридомовой сетях должна быть гарантирована невозможность вторичного химического и биологического загрязнения воды
К сказанному следует добавить (что немаловажно): системы централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения, особенно крупные, являются 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 [15].
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 [6]. При сохранении нынешней экономической 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 [16].
По ориентировочным и достаточно осторожным подсчетам Министерства
природных ресурсов РФ ущербы народному хозяйству страны от ухудшения экологического состояния водных объектов составляют величину порядка 50 млрд. руб. в год [17].
Особенно большие проблемы возникают при необходимости обеспечения доброкачественной питьевой водой населения территорий, пострадавших от стихийных бедствий. Примерами последнего времени здесь служат происшедшие в 2002 году катастрофические наводнения на Северном Кавказе, а также сход ледника в Кармадонском ущелье. 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. Данная проблема требует своего решения, несмотря на сложную экономическую ситуацию, в которой ныне пребывает страна: согласно прогнозам Центра стратегических исследований МЧС РФ, первая четверть XXI века для России будет характеризоваться ростом числа природных и техногенных катастроф [18-20].
К сожалению, данные прогнозы подтверждаются. По официальной статистике, в России за первое полугодие 2002 г. зарегистрировано 547 ЧС, в результате которых пострадали 335 тыс. человек, 810 погибли. Количество ЧС в 1 полугодии 2002 г. по сравнению с тем же периодом 2001 г. выросло на 25 %; при этом техногенных аварий и катастроф стало больше на 28 %, а природных катаклизмов - на 30 %. Ни наводнение на Северном Кавказе, ни трагедия Карма-дона в эту статистику попасть не успели.
Закон РФ "О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера" [21] 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 [5, 6, 22].
Многие из перечисленных проблем характерны и в отношении обеспечения питьевой водой многих сельских населенных пунктов, особенно расположенных в трудно доступных местах, а также гарнизонов, временных дислокаций воинских частей и полевого водоснабжения.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что питьевая вода ныне является обостряющимся во времени лимитирующим фактором развития человеческой цивилизации (а для населения России уже ставшим депопуляционным фактором), и, следовательно, одним из главных преград на пути устойчивого развития любой страны и человечества в целом.
Этими обстоятельствами определяется актуальность исследований, направленных на улучшение качества питьевой воды, повышение уровня экологической и санитарно-гигиенической безопасности систем питьевого водоснабжения, а также решающих проблемы минимизации нерациональных потерь природной воды, в частности, за счет увеличения доли предприятий, эффективно использующих оборотное водоснабжение.
Цель работы - разработать научные основы обеззараживания природной воды воздействием дезинфектантов различной природы (индивидуально и в сочетании с активаторами их бактерицидных свойств) для повышения эффективности и экологической безопасности систем питьевого, оборотного и полевого водоснабжения, в том числе функционирующих в условиях чрезвычайных ситуаций.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
- проведен анализ методов обеззараживания воды с экологических, санитарно-гигиенических и технико-экономических позиций, позволяющий уточ-
нить критерии выбора бактерицидных препаратов для систем централизованного хозяйственно-питьевого и оборотного водоснабжения, а также водоснабжения населения, проживающего на территориях, пострадавших в результате ЧС;
установить кинетические закономерности с разработкой математических моделей процесса отмирания санитарно-показательных микроорганизмов при помощи ионов меди, цинка, серебра, а также аммиачного комплекса серебра, позволяющие найти экологически приемлемые варианты применения этих препаратов как финишных бактерицидов, особенно в условиях повышенных температур;
устранить основной недостаток процессов обеззараживания природной воды УФ-облучением и озонированием - отсутствие бактерицидного последействия - посредством введения дезинфектантов химической природы в дозах, обоснованных с эколого-экономических позиций;
установить характер влияния различных параметров процесса на индивидуальную бактерицидную активность озона и пероксида водорода, а также их комбинаций с катализаторами, способствующих возрастанию этого показателя;
разработать варианты технологической схемы подготовки воды для оборотного и питьевого водоснабжения, основанной на сочетании окислителей (озона и пероксида) с гомогенными и гетерогенными катализаторами и обосновать их с позиций охраны среды обитания и рационального использования водных ресурсов;
найти условия рационального сочетания хлорирования воды и введения бактерицидных ионов, характеризующихся длительным бактериостатическим действием с позиции минимизации негативного воздействия на природную среду и здоровье населения, а также снижения энергозатрат;
снизить уровень экологической опасности комбинированных систем обработки воды, включающих УФ-облучение, посредством финишного обеззараживания химическими веществами, не являющимися, в отличие от хлора, ксенобиотиками и вовлекаемыми в биогенные круговороты после возвращения в природную среду;
разработать варианты технологической схемы подготовки питьевой воды, основанной на сочетании хлорсодержащих окислителей с УФ-облучением и ионами меди (с концентрацией ниже ПДК) и обосновать их с позиций охраны среды обитания, рационального использования водных ресурсов и энергосбережения;
усовершенствовать с позиций улучшения качества воды и экологических показателей технологий обеззараживания воды, которые реализованы в контейнерных и мобильных установках водоснабжения, предназначенных для работы в условиях чрезвычайной ситуации;
разработать рекомендации по технико-экономическому и санитарно-экологическому усовершенствованию войсковых фильтровальных станций и обосновать направление экологически обоснованной конверсии указанной военной техники для решения проблемы водоснабжения сельских населенных мест;
обосновать целесообразность диверсификации муниципальных предприятий централизованного водоснабжения, базирующейся на реализации экологических нововведений в сочетании с изменением структуры водопотребле-ния.
Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием общепринятых методик исследований с применением аттестованных приборов и устройств, современных математических методов статистики и регрессионного анализа. Обработка информации проводилась с применением ПЭВМ по стандартным пакетам программ.
Достоверность полученных результатов основана на использовании апробированных методов лабораторных и производственных исследований, метрологически аттестованных приборов и оборудования промышленного изготовления, большом массиве и хорошей сходимости экспериментальных данных с расчетными.
Научная новизна результатов исследований:
- теоретически обоснована и экспериментально установлена высокая бак-
терицидная активность ионов цинка и меди(П), а также аммиачного комплекса серебра(І) и придание ими воде длительной устойчивости к внешнему бактериальному загрязнению при концентрациях ниже ПДК;
определение физико-химических параметров, в интервале которых серебро и медь существуют в ионной - бактерицидно активной форме;
создание научных основ технологии обеззараживания воды, использующей синергетический бактерицидный эффект сочетанного действия хлора и простых и комплексных катионов серебра и удовлетворяющей требованию минимизации вреда, наносимого хлором природной среде и здоровью человека;
закономерности влияния ряда ионных примесей природной воды (включая основные) и температуры в широком диапазоне на процесс отмирания микроорганизмов E.coli в результате физического (УФ-лучи) и химического (катионы Cu2+, Zn2+ и Ag+) воздействия; >
бактерицидный синергетический эффект, проявляющийся при комбинировании УФ-облучения с ионами меди (II) и серебра (І) в концентрациях ниже ПДК, а также приобретение обработанной водой длительной устойчивости ко вторичному бактериальному загрязнению;
эффект существенного (на порядок и выше) увеличения интегральной бактерицидной активности УФ-облучения и пероксида водорода, а также УФ-облучения и озона, обусловленный предварительным введением в воду ионов серебра или меди в концентрациях ниже ПДК;
уравнения связи между уровнем летальности микроорганизмов E.coli и основными показателями УФ-облучения и ионного обеззараживания;
обнаружение индивидуальной бактерицидной активности катализатора гопкалита и ее значительного возрастания при промотировании его малыми (до 0,1 %) количествами серебра; установление аналогичного эффекта при сочетании пероксида водорода и гопкалита.
Практическое значение исследований определяют:
- результаты экспериментальных исследований, характеризующие высо
кую антибактериальную активность ионов меди, цинка и серебра (простых и
комплексных) и позволяющие расширить на их основе ассортимент химических дезинфектантов воды, проявляющих указанное свойство при концентрациях ниже ПДК и способных защитить воду от внешнего бактериального загрязнения в течение длительного времени в широком диапазоне температур и ионного состава воды;
кинетические закономерности обеззараживания воды в присутствии малых (ниже ПДК) концентраций ионов меди, цинка и серебра в широком интервале реакции среды, температуры, содержания микроорганизмов и уравнения связи между уровнем летальности последних и основными параметрами процесса;
результаты экспериментальных и теоретических исследований рекомендуются для практического применения в системах подготовки питьевой воды населенных пунктов и войсковых станций водоснабжения, подтверждают возможность значительного повышения интегральной бактерицидной активности при сочетании 1) УФ-облучения с окислителями молекулярной (пероксид водорода) и ионной (Cu2+, Zn2+, Ag+) структуры, 2) озона с ионами серебра(І) и ме-Ди(И);
математические модели процессов обеззараживания воды комбинированным действием УФ-облучения а также озона и бактерицидов химической природы;
технологические решения, позволяющие повысить эффективность процессов обеззараживания воды в системах питьевого и оборотного водоснабжения УФ-лучами и хлорсодержащими препаратами (индивидуально или в комбинации), позволяющие снизить дозу хлора на конечной стадии водоподготовки;
результаты экспериментальных исследований, подтверждающих возможность существенного повышения эффективности применения озона и пе-роксида водорода в системах водоснабжения при введении гомогенных (ионы серебра, меди, цинка) и гетерогенных (диоксиды марганца и титана, а также природных минералов - пиролюзита и рутила) катализаторов;
технологические системы водоподготовки, включающие применение са-
нитарно и экологически обусловленных количеств веществ, которые, после выполнения основных функций катализаторов и дезинфектантов, могут служить источниками микроэлементов для сельскохозяйственных растений и животных;
- технологические решения, позволяющие повысить эффективность рабо
ты мобильных и контейнерных войсковых установок и расширяющие возмож
ности использования их для обеспечения водой населения, пострадавшего в ре
зультате чрезвычайных ситуаций;
- разработанные применительно к системам централизованного водо
снабжения малых городов технологические решения, способствующие разви
тию на их основе индустрии питьевой воды с улучшенными потребительскими
свойствами, снижающие уровень нерационального удельного водопотребления.
Новизна и приоритет научно-технических разработок и решений в изучаемой области защищены 18 патентами Российской Федерации. ) На защиту выносятся:
тезис о необходимости решения в ближайшей перспективе проблемы обеспечения населения питьевой водой надлежащего качества с привлечением скрытых резервов самих водоочистных станций и систем водоочистки, которые в условиях рыночной экономики должны сами финансировать необходимые инженерно-экологические мероприятия;
критерий подбора бактерицидных препаратов и агентов для обеззараживания воды в системах централизованного хозяйственно-питьевого, оборотного и полевого водоснабжения: "улучшение качества воды при минимизации экологического вреда, экономических затрат и социальных издержек, а также риска возникновения чрезвычайной ситуации";
система доказательств экологической и санитарно-гигиенической целесообразности реализации хлор-ионной технологии водоподготовки, способствующей снижению поступления хлора в среду обитания и питьевую воду;
система доказательств вариатности сочетания озона и ионов серебра (меди) в технологиях питьевого и оборотного водоснабжения, способствующая исключению необходимости применения в них хлора как финишного дезинфектан-
та и снижению тем самым уровня экологической опасности соответствующих систем в сочетании с улучшением качества воды;
- теоретическое обоснование сочетания УФ-облучения и водораствори
мых солей меди и серебра (в концентрациях ниже ПДК), позволяющего повы
сить уровень обеззараживания природной воды при снижении дозы ультрафио
лета;
система доказательств технико-экономической и санитарно-гигиенической целесообразности применения катализаторов химической природы для повышения бактерицидной активности комбинации ультрафиолета и пероксида водорода и придания антибактериальной устойчивости обработанной воде;
- эколого-экономическое обоснование направления модернизации устано
вок водоснабжения в контейнерном и модульном исполнении, в т.ч. отработав
ших свой ресурс в практике полевого водоснабжения войск, позволяющего бо
лее эффективно использовать последние на территориях, подвергшихся воздей
ствию ЧС, или в труднодоступных местах проживания.
Личный вклад автора:
постановка проблемы;
выдвижение идеи и обоснование задач исследований, направленных на повышение эффективности процесса инактивации микроорганизмов индивидуальными бактерицидами различной природы, а также их сочетанным действием;
обоснование методологии повышения уровня экологической безопасности систем водоснабжения на базе комплексного экосистемного подхода к процессу обеззараживания природной воды;
создание новых технических решений, материалов и препаратов;
теоретические и экспериментальные исследования, анализ и математическая обработка полученных результатов, разработка математической модели процесса обеззараживания;
формулирование научных положений и выводов.
Состояние обеспечения питьевой водой сельских населенных пунктов и территорий, подвергшихся воздействию ЧС
В целях водоснабжения сельских населенных пунктов в основном используются подземные воды (9,8 млн. м3/сутки, или 87 % от общего объема водопотребления), а также поверхностные источники (1,4 млн. м3/сутки, или 13 %). Из водопроводов несельскохозяйственного назначения сельские потребители получают 430 тыс. м3/сутки. В отдельных районах страны (Калмыкия, Ставропольский край, Дальний Восток) используется привозная вода (140 тыс. м /сутки). Из 145 тыс. сельских населенных пунктов России, в которых проживает 37,1 млн. человек, системы централизованного водоснабжения имеют 68 тыс. населенных пунктов (25,4 млн. человек). Водой низкого качества пользуются 16,6 млн. человек (45 %), в том числе 11,1 млн. человек используют воду непитьевого качества из децентрализованных источников и 5,5 млн. человек потребляют недоброкачественную воду из-за несовершенства сельских централизованных систем водоснабжения [5]. Особенно тревожное положение сложилось в полупустынных и пустынных районах, где питьевая вода подается в населенные пункты с недопустимыми концентрациями солей [31].
В проекте Национальной программы «Вода России XXI век» определены основные направления программных мероприятий и механизмы ихm реализации, необходимые для эффективного решения проблемы обеспечения сельского населения России питьевой водой. Представляется, что в качестве первоочередных могут быть следующие мероприятия: восстановление систем водоснабжения, находящихся в нерабочем состоянии; реконструкция систем водоснабжения, подающих воду непитьевого качества; строительство новых систем водоснабжения в районах, где распространены некондиционные воды, установка контейнерных сооружений водоподго-товки для обеспечения населения и животных водой нормативного качества по временной схеме; обеспечение населения водой питьевого качества в зонах радиоактивного заражения.
Особое внимание следует уделить расширению использования подземных вод, что диктуется необходимостью обеспечения резервного водоснабжения населенных пунктов на случай чрезвычайных ситуаций, а также требованиями улучшения экологической обстановки на территории населенных пунктов, особенно с высокой плотностью населения.
Среди мер, позволяющих улучшить качество сельского питьевого водоснабжения, перспективным является строительство специальных водохранилищ, особенно в тех регионах, где отсутствуют запасы подземных вод в достаточном количестве и нормативного качества.
Осуществление намеченных мероприятий позволит увеличить общее потребление воды в расчете на одного сельского жителя (ныне оно составляет 283 л/сут [5]). Тем самым будут существенно повышены санитарная и экологическая надежность, а также качество водообеспечения сельских населенных пунктов, снижена заболеваемость сельчан, обусловленная водным фактором, и улучшена демографическая ситуация на селе.
Проблема обеспечения населения доброкачественной водой в условиях возникшей чрезвычайной ситуации крайне актуальна. Это обусловлено тем, что при стихийных бедствиях и ЧС техногенного характера весьма часто происходят разрушения систем хозяйственно-питьевого и оборотного водоснабжения.
Согласно докладу МЧС России (2002 г.) [20], в стране в 2001 г. произошло 13 аварий на коммунальных системах жизнеобеспечения, в т.ч. 4 локальных, 9 - местных ЧС. На объектах водоснабжения и канализации было зафиксировано 18 нарушений (в Ростовской и Кемеровской областях по 3; Московской, Омской, Сахалинской, Свердловской областях - по 2; в остальных четырех регионах - по 1). К этому следует добавить, что в указанном году в России произошло 26 аварий с выбросом аварийных химически опасных веществ (АХОВ), в т.ч. 23 — локальных и 3 местных ЧС.
Именно по причине высокой вероятности ЧС на предприятиях ЖКХ, в частности водоснабжения и канализации, в качестве важной меры по улучшению обеспечения населения питьевой водой в упомянутой ФЦП [5] предусматривается создание предприятий по розливу питьевой воды на базе надежно защищенных от загрязнения подземных вод. Кроме того, предусматривается расширение использования локальных бытовых и групповых установок глубокой доочистки воды для питьевых целей в местах ее непосредственного потребления, первую очередь в регионах с кризисной экологической обстановкой. Признано необходимым разработка технологий и создание опытных образцов блочных водоочистных установок малой производительности.
Согласно планам НИОКР МЧС России, создается мобильный комплекс первоочередного жизнеобеспечения пострадавшего населения в рай онах ЧС. Эта работа осуществляется в рамках ФЦП «Создание и развитие Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях» [32-34].
Проблемы снабжения гарнизонов и воинских частей качественной питьевой водой также стоят очень остро. Еще в 1993 г. начальник санитарно-гигиенического отдела санитарно-эпидемиологического центра ВС РФ указывал на тяжелое положение, сложившееся в Архангельской, Курской, Томской, Ярославской, Калужской, Калининградской областях, Приморском крае, Калмыкии, Дагестане, Карачаево-Черкессии. Неудовлетворительное решение вопросов водоснабжения, в свою очередь, негативно отражается на эпидемической обстановке по кишечным инфекциям. По оперативным данным за год в ВС отмечаются десятки вспышек острых кишечных инфекций, в результате которых заболевают несколько тысяч человек.
При этом медики указывают, что до 85 % водных эпидемий в войсках связаны с нарушением правил эксплуатации водопроводных и канализационных сооружений. Отмечается, что число анализов питьевой воды, не соответствующих требованиям ГОСТ 2874-82 по микробиологическим показателям в округах и на флотах, колеблется от 10 до 25 %, значительно повышаясь в летне-осеннее время года [35, 36].
Указанные проблемы вставали перед нашими Вооруженными Силами практически во всех конфликтах, в которых они участвовали в последние годы: в Афганистане, Приднестровье, Дагестане и, наконец, в Чечне. Ситуация с питьевой водой в войсках, находящихся в этой республике, непростая, хотя воевать приходится на местности, где есть не только достаточно обширная сеть водоснабжения, но и много рек и водоемов. Тем не менее, войска в Чечне повсеместно используют привозную воду, при этом плечо подвоза может составлять от 10 - 15 до 100 и более километров.
Указанное обстоятельство объясняется в основном двумя причинами. Во-первых, в Чечне на сегодняшний день сложилась опасная экологическая и санитарно-эпидемиологическая обстановка. Характеризуясь катастрофическим состоянием, системы водоснабжения и канализации этого субъекта России ныне представляют собой источники самых разнообразных инфекционных заболеваний, в первую очередь, желудочно-кишечных. Что уж тут говорить о войсках, размещенных практически в чистом поле? Во-вторых, велика опасность диверсий: воду в колодцах, да и в открытых водоемах относительно легко отравить. Несомненно, что по мере умиротворения Чечни и возможного перехода недобитых боевиков на худшие методы ведения партизанской войны, роль привозной воды будет возрастать.
Серебросодержащие бактерицидные препараты
Из литературного обзора (глава 1) следует, что наиболее изученным в бактерицидном отношении серебросодержащим препаратом являются ионы серебра Ag+, полученные электролитическим путем. С целью расширения номенклатуры серебросодержащих дезинфектантов, границ их эффективного применения выполнены соответствующие исследования.
Известно, что некоторые растворимые соли серебра (прежде всего нитрат) были изучены применительно к обеззараживанию минеральной воды «Нарзан» и питьевой воды [349, 400]. Однако указанные исследования носили фрагментарный характер, а рекомендуемые концентрации сульфата серебра (0,2 мг/л по Ag4) существенно превысили ПДК, установленную для ионов серебра - 0,05 мг/л [53].
В соответствии с вышеизложенным нами в опытах использованы растворы солей, в которых концентрация ионов Ag+ 0,05 мг/л.
На рисунке 2.5 приведены результаты исследования влияния концентрации Ag+ на бактерицидную активность сульфата серебра. При этом исходное число микроорганизмов составляло 105 кл/л, температура обеззараживаемой воды - 20,0 ± 0,5С. Полученные результаты выявили зависимость бактерицидной активности от концентрации ионов серебра. Так, обеззараживание на 99,99 % т.е. на 4 порядка достигается для концентрации 0,05 мг Ag+/n через 30 мин, а для концентрации 0,001 мг Ag+/0i аналогичный эффект фиксируется только через 150 мин.
Температура, как известно, является важным технологическим параметром. Колеблясь в довольно широких пределах (в зависимости, например, от времени года), она способна заметно влиять на глубину обеззараживания воды.
Влияние температуры на бактерицидную активность сульфата сереб-ра (концентрация ионов Ag в воде 5-10 мг/л) представлена на рисунке 2.6. Выбор исследуемых температур (1 и 20 С) определялся их среднестатистическим значением для зимнего и летнего периодов.
Как и следовало ожидать, эксперименты выявили повышение активности препарата с увеличением температуры, хотя и не столь значительное. Это обстоятельство может иметь большое значение при обеззараживании и консервации воды в районах с теплым климатом.
В литературе имеется информация относительно отрицательного влияния на бактерицидную активность Ag+, полученного электрохимическим путем, таких ионов, как СГ, SO - и S2- [349, 246]. В целях установления диапазона границ применимости сульфата серебра нами были выполнены аналогичные исследования с этим препаратом. Последний, как известно, является относительно хорошо растворимым соединением (nPAg2so4 при t = 25 С равно 7,7-1(Г5).
Для опытов брали бидистиллированную воду, в которую вводили отмеренное количество солей Na2SC 4, NaCl, NaHCCb и Na2S. Исходное коли-чество бактерий E.coli составляло: в опытах с СГ - 2-Ю4, SOJ" и HCOf -2,5-104 и S2- - 1,5-104 кл/см3. Температуру во всех опытах поддерживали 20 С ± 0,2 С, концентрация Ag составляла 5-10 мг/л. Анализ числа выживших микроорганизмов производили в 4-х кратной повторности, далее определяли их среднее значение. Результаты приведены в таблицах 2.1-2.4.
Анализ полученных данных показывает, что среди изученных анионов наименьшее влияние на бактерицидную активность ионов Ag+ оказывают SO2-, а наибольшую - S2". В определенной степени это коррелируется со значениями произведения растворимости riPAg2S04 = 7,7-10-5, ITPAgCj = 1,78-10-10. ПРAg2C03 = 6,2-10"12, ПРAg2S = 1,6-КҐ»9 [52].
Таблица 2.3 - Влияние НС03 на бактерицидную активность Ag2SC На бактерицидные свойства соединения ионов серебра с аммиаком впервые обратил внимание И.Е. Ермолаев [386]. Им был разработан препарат "аммарген": 2,5 части нитрата серебра растворялись в смеси, состоящей из 30 частей 25 % -ного нашатырного спирта и 70 частей воды. При этом было установлено, что добавление небольших количеств аммиака к осеребренной воде повышает физиологическую ценность ионов серебра.
Однако получение этого бактерицидного препарата путем растворения нитрата серебра AgNCb в водном растворе имеет ряд недостатков. Во-первых, AgNCb весьма ядовитый препарат; во-вторых, полученный раствор желательно использовать как бактерицидный препарат сразу, в противном случае его необходимо хранить в темноте и при относительно низкой температуре.
Нами разработан процесс получения диамминаргенат-катиона [Ag(NH3)2]+ (в дальнейшем ДАА-катиона) путем взаимодействия (при перемешивании) свежеприготовленных электролитическим способом ИОНОІ серебра Ag+ с вводимыми в зону их нахождения молекулами аммиака из баллона, т.е. непосредственно в обеззараживаемой воде. Это обеспечивается высокой растворимостью аммиака в воде (% по массе): 46,7 (0 С), 40,5 (10 С), 34,5 (20 С), 28,7 (30 С), 23,5 (40 С), 18,6 (50 С) [52]. Наличие небольшого избытка ТМНз (5 % от стехиометрии) позволяет сдвинуть равновесие в системе Ag+ + 2NH3 - [Ag(NH3b]+ вправо.
Вначале выполнили исследование бактерицидной активности препарата в зависимости от температуры. Это связано с тем, что, во-первых, температура обеззараживания является важнейшим технологическим параметром, а во-вторых, в литературе нами не обнаружено информации по данному вопросу. Важно было также установить бактерицидные возможности препарата при различной концентрации в нем Ag+ и содержании микроорганизмов в воде.
Исследования проводили в интервале температур 2 - 50 С (± 0,1 С), концентрации ДАА-катиона (по содержанию в нем Ag+) принимали в опытах 0,05 (1 ПДК); 0,005 (Ю-1 ПДК) и 0,001 мг/л (2-Ю"2 ПДК). Результаті/ приведены на рисунках 2.7-2.9.
Технология и аппаратурное оформление хлорсеребряного метода обеззараживания воды
Решение задачи снижения содержания остаточного хлора в питьевоь: воде (при одновременном повышении бактериальной ее устойчивости) может быть найдено, по нашему мнению, путем сочетания хлорирования воды с ее последующим "осеребрением" ДАА-катионами. При этом требуемый эффект может быть достигнут при концентрациях ионов серебра существенно (на порядок) ниже их ПДК. Тем более, что после стадии первичного хлорирования вода в значительной степени обеззаражена и требуется придать ей только устойчивость против повторного бактериального заражения.
В целях выбора оптимального варианта нами рассмотрены 3 сочетания хлорирования с осеребрением (рисунок 3.5): 1) полная замена вторичного хлорирования на "осеребрение" ([Ag+] = 5-Ю"3 г/м3); 2) частичная (на 50 %) замена вторичного хлорирования на "осеребрение"; 3) "осеребрение" питьевой воды, прошедшей обе стадии хлорирования (для повышения бактериальной устойчивости воды, поступающей в распределительную сеть).
Вариант № 2, будучи промежуточным между вариантом с полной заменой вторичного хлорирования на "осеребрение" и вариантом, основанном на традиционной двойной схеме обеззараживания воды, предполагает максимальное использование положительных качеств как хлорирования, так и "осеребрения". При этом наряду со снижением (наполовину) количества требуемого на второй стадии хлора, появляется реальная возможность уменьшения и количества серебра: содержание ионов последнего можно поддерживать на уровне 3-10 г/м.
По третьему варианту с целью усиления сопротивляемости питьевой воды ко вторичному бактериальному загрязнению (по мере продвижения ее в распределительных сетях, особенно в местах порыва труб) в воду, прошедшую традиционный цикл обеззараживания, вводятся электролитически полученные ионы серебра в концентрации около 10 г/м .
Выбор данной концентрации ионов обоснован как результатами наших исследований, так и литературными данными [256]. В частности, при заданной (10 г/м ) концентрации ионов серебра и максимально отмеченном содержании С1-ионов в воде, прошедшей ОСВ МУП "Горводоканал" (212 мг/л, см. таблицу Приложения), произведение концентраций указанных ионов существенно меньше 1,8-10 10, т.е. в воде будут находиться именно ионы серебра, а не AgCl.
Во всех вариантах принимали объем подвергаемой обеззараживанию воды 40 тыс. м3/сутки, или 1667 м3/ч (реальная производительность указанного МУП).
Производительность электролизёра (ионатора) при заданной плотности тока является основным параметром при определении в дальнейшем конструктивных размеров электродов и самого ионатора, показателей его работы, количества вводимого стабилизатора - аммиака, а также объема воды, который можно подвергнуть обеззараживанию. При этом принимали, что материалом растворимого анода служит серебро техническое пробы 999. Поскольку, согласно результатам наших исследований, для обеззараживания воды малыми (ниже ПДК) концентрациями можно применять серебро менее высоких проб (916, 875 и 800), данные таблицы 3.4, в частности касающиеся производительности, можно скорректировать путем умно жения величины последней на поправочный коэффициент: соответственно 1,11; 1,16 и 1,27.
На основании выполненных экспериментов и расчетов, а также исходя из теории и практики электролиза с растворимыми анодами, нами разработана технологическая схема обеззараживания воды при помощи бактерицидно активных ДАА-катионов [Ag(NH3)2]+. Ее особенность состоит в том, что синтез ионов серебра осуществляется в электролизере, вынесенным за пределы основного потока воды.
На рисунке 3.6 представлена указанная схема. асть воды (8 - 42 м3/ч в зависимости от варианта) забирается из напорного магистрального водопровода после фильтров и подается в резервуар постоянного уровня 1. Из последнего вода поступает в выносной элек-тролизер-ионатор 7. Работа ионатора регулируется силой тока так, чтобы содержание ионов серебра в воде, выходящей из аппарата, составляло около 0,2 мг/л [349]. При таком режиме концентрация ионов серебра после смешения с основным потоком воды будет составлять в последней заданную величину. Для стабилизации образовавшихся ионов серебра в воду, выходящую из ионатора, вводят газообразный аммиак из баллона 12 при помощи расходомера. Далее раствор бактерицидного препарата направляется на
Данная технологическая схема является типовой для всех трех рекомендуемых вариантов комбинирования хлора и ДАА-катионов. Они отличаются объемом воды, пропускаемой через выносной электролизер: 42 м3 по варианту № 1; 25 м3 - по варианту № 2 и 8 м3 - по варианту 3.
Компоновка основной аппаратуры генератора ДАА-катионов и схемг. гидравлической части показаны на рисунках 3.7 и 3.8. В качестве генератора простых ионов серебра Ag+ может быть использован (с некоторыми усовершенствованиями в части пакета электродов) серийный автоматизированный ионатор ЛК-28 напорного типа (рисунки 3.7 и 3.8), предназначенный для судов морского флота (выпуск осуществлен Киевским опытно-экспериментальным заводом медприборов и оборудования [401]). Он способен перевести в ионную форму около 10 г/ч металлического серебра. В собранном виде ЛК-28 имеет габариты 1810x500x440 мм, вес 136 кг и стоимость около 3 тыс. руб. (в ценах 1985 г) без стоимости серебряных ектродов. Питание осуществляется переменным током частотой 50 Гц и напряжением 220 и 127 В, потребляемая мощность не превышает 0,2 кВт. Предусмотрено отключение электропитания ионатора и электродвигателя мешалки смесителя при падении объема поступающей в ионатор воды ниже заданного значения.
Электролизер (ионатор) с горизонтальным расположением электродов (рисунок 3.9,а) выполняется в виде прямоугольного корпуса 1 с изолирующими прокладками 2 и расположенным в нем пакетом электродов. Последний жестко соединен с крышкой электролизера, что позволяет при необходимости вынимать пакет из электролитической ванны 1. Корпус оборудован входным 5 и выходным 6 патрубками с фланцами для присоединения к трубопроводу. Пакет электродов состоит из набора пластин прямоугольной формы толщиной 1-2 мм. Растворимые аноды выполнены из серебра, катоды из титана или нержавеющей стали. Расстояние между пластинами до 10 - 12 мм. Подключение электродов к электрической сети осуществляется через токоподводы 7. На выходе из электролизера рекомендуется устанавливать сетку для задержки фрагментов разрушающихся пластин и снижения тем самым расхода серебра.
Электропитание электролизера осуществляется с помощью любого выпрямительного устройства, рассчитанного на работу на выходе 12 или 18 В и максимальной силе тока 15 А. В схему может быть введено реле давле ния, которое отключает выпрямительный агрегат при прекращении подачи воды в электролизер или снижении давления ниже контрольного. Целесообразно сопровождать отключение выпрямителя подачей звукового сигнала.
Установка работает следующим образом. После подачи воды в электролизер включают выпрямительный агрегат и на тоководы электродов подают напряжение. Используя данные таблицы 3.4, подбирают требуемое значение силы тока, обеспечивающего перевод в воду заданное количество ионов серебра.
Влияние катализаторов разложения на бактерицидную активность пероксида водорода
В последние годы в качестве перспективного бактерицидного препарата для обеззараживания питьевой воды, не меняющго физико-химические характеристики последней (в отличие от хлора), выступает пероксид водорода.
Так как концентрация Н2О2 является важным технико-экономическим параметром, нами предварительно изучалось влияние содержания Н2О2 на этот показатель. Опыты проводили при концентрации Н2О2 (мг/л): 50; 200, 700 и 1000; начальное число микроорганизмов составляло 104 кл/см3, температура 20 ± 1 С. Микробиологический анализ (числа выживших бактерий) проводили в 4-х кратной повторности. Результаты опытов приведены на рисунке 4.10 и таблице Приложения.
Из полученных данных следует, что рост концентрации Н2О2 заметно влияет на глубину обеззараживания воды пероксидом водорода Так, за время экспозиции (выдержки) 40 мин глубина обеззараживания, определяемая параметром lg (Nt/No), составила для концентрации 50 мг/л величину - 0,2, а для концентрации 1000 мг/л уже - 2,95. Следовательно, бактерицидная активность возрастает почти на 3 порядка. ктивность ряда препаратов, которые были ранее предложены для дезинфекции воды. В ряду бактерицидной активности установлена закономер ность KMn04 CI2 Оз J2 Сиг+ Br2 Н202, что указывает на целесообразность применения пероксида водорода в основном в установках с малой производительностью по обеззараживаемой воде; в противном случае потребуется использовать, большое количество этого вещества. Действительно, в работах [267, 331] показано, что только при концентрации Н2О2 2 г/дм можно снизить число клеток E/coli на два порядка за 10 мин, т.е. достигнуть уровня обеззараживания на 99 %.
Близкие результаты относительно указанного санитарно-показательного микроорганизма приведены и в работе [245], а в [237] указано, что для надежного обеззараживания воды необходимо проводить ее обработку 3-6 %-ным раствором Н2О2. Следовательно, в практических целях необходимо найти условия, позволяющие снизить дозы пероксида водорода, не уменьшая при этом его антимикробных свойств.
Согласно [245] причиной антибактериального действия пероксида водорода является образование супероксидных и гидроксильных радикалов, которые могут оказывать либо прямое цитотоксическое действие, либо опосредованное, приводящее к повреждению ДНК клетки. Известно также [232, 237], что в присутствии различных веществ (катализаторов) пероксид водорода разлагается с образованием высокоактивных окислительных радикалов, что, по нашему мнению, может привести и к повышению бактерицидного эффекта.
В соответствии с вышеизложенным, целью данного раздела работы явилось изучение влияния некоторых веществ - катализаторов разложения пероксида водорода - на глубину обеззараживания воды. Концентрации вводимых ионов (Cu2+, Ag+, Zn2+) и оксидов некоторых металлов (МпСЬ и ТІО2) выбирались из расчета не превышения значений соответствующих ПДК [53, 58].
На рисунках 4.11 - 4.15 и в таблицах Приложения приведены результаты исследования как индивидуальной бактерицидной активности ают ионы серебра. В целом указанный параметр по результатам выполненных исследований падает в ряду Ag+ Cu2+ Zn2+.
Введение указанных ионов в воду сразу после обработки ее перокси-дом водорода привело во всех случаях к резкому возрастанию уровня бактерицидного действия. При этом предварительная оценка дает возможность говорить о наличии синергетического эффекта.
Комбинация пероксида водорода с указанными ионами позволяет существенно снизить количество Н2О2; (в сравнении с индивидуальным ее применением). Так, при сочетании 200 мг Н2О2 /л с 0,005 мг Ag+/n (что на порядок ниже ПДК) уже через 20 мин достигается глубина обеззараживание 99,9 % (lg Nt/N0) = -3). Подобного эффекта можно достигнуть при индивидуальном использовании 1000 мг Н2О2/Л, но при двукратном увеличении времени контакта. Тот же эффект, хотя и выраженный в меньшей степени, имеет место в случае применения других ионов металлов. На практике тем самым можно добиться существенного уменьшения размеров основной аппаратуры, прежде всего смесителя - реактора.
Отмеченный эффект можно объяснить, опираясь на выводы работ [232, 325, 417]. При каталитическом разложении пероксида водорода образуются в качестве промежуточного продукта радикалы ОН, окислительный потенциал которых (2,8 В) выше не только самого пероксида водорода (1,77 В), но даже озона (2,07 В) и хлора (1,49 В).
Кроме отмеченного явления, следует отметить еще одно преимущество сочетания пероксида водорода с указанными ионами. Ионы серебра, даже в небольших количествах присутствующие в воде (начиная с 10 10 моль/л [246]), придают последней способность долго сопротивляться внешнему бактериальному загрязнению (несколько десятков суток). Тем самым обеспечивается длительная сохранность воды, что приобретает особую актуальность в районах с жарким климатом, отягощенных нехваткой природных источников пресной воды.
Аналогичным свойством, как показали наши исследования, обладают и ионы меди. Предварительно простерилизованная природная вода была инфицирована бактериями E.coli из расчета 104 кл/л, далее в воду ввели
рассчитанные количества Н2О2 (0,1 г/л) и CiiS04-5H20, чтобы концентрация Си2+ составила ОД мг/л. Опыты вели при температуре 30 С. Через 2 и 5 суток вода вновь была инфицирована из расчета 103 кл/л. Результаты эксперимента представлены на рисунке 4.14.
Как следует из анализа полученных данных, введение в зараженную воду пероксида водорода и ионов меди с концентрацией последних на порядок ниже ПДК для питьевой воды [53, 28] довольно быстро делает ее безопасной по бактериологическим показателям: коли-индекс, т.е. содержание бактерий віл воды, меньше или равно 3. Даже дополнительное искусственное инфицирование было устранено через сутки после него.
Таким образом, сочетание пероксида водорода с ионами серебра и (или) меди способно устранить один из наиболее существенных недостатков Н2О2 - отсутствие бактерицидного последействия.
Диоксиды марганца и титана являются активными катализаторами разложения пероксида водорода по цепному механизму с образованием радикалов ОН [232]. Поэтому в целях проверки ранее выдвинутого предположения о механизме сочетанного бактерицидного действия пероксида водорода и ионов некоторых металлов была проведена отдельная серия опытов
