Введение к работе
Состав и свойства воды в системе централизованного питьевого водоснабжения определяются качеством воды природного источника, технологией водоподготовки и состоянием водопроводной сети. Состав воды в поверхностном источнике формируется под действием не только природных, но и антропогенных факторов, в том числе загрязнения сточными водами. В современных условиях повышение требований к качеству питьевой воды приводит к необходимости контроля в природной и водопроводной воде таких компонентов, которые ранее не нормировались.
Анализ базовой для России технологии водоподготовки показывает, что коагуляция солями алюминия и хлорирование приводят к ухудшению ряда показателей качества воды (акад. Рахманин Ю.В.), таких как содержание алюминия, токсичных галогенорганических соединений (ГОС) и др.. Из медицинских исследований известно, что алюминий поражает нервную систему (Блейлок Л.), участвует в развитии болезни Альцгеймера (Murayama H., Shin R.W., Kitamoto T.), ГОС обладают канцерогенным и мутагенным действием (акад. Худолей В.В.). Показана положительная корреляция между суммарной мутагенной активностью водопроводной воды и такими характеристиками воды в источнике водозабора как мутность (акад. Рахманин Ю.В.), содержание гуминовых веществ (Alawi M.A.).
Гуминовые вещества образуются в результате постмортального превращения органических остатков, главным образом в почве. В поверхностных водах они являются основными представителями биоорганических примесей природного происхождения; в значительно меньших количествах в незагрязненных водах обнаруживаются белковые вещества. Однако водные гуминовые и белковые вещества могут также иметь антропогенное происхождение и поступать в водоемы и водотоки с бытовыми сточными водами. Известно, что с гуминовыми и белковыми веществами связываются тяжелые металлы (Линник П.Н.) и низкомолекулярные органические токсиканты (Fleinder A.). Их взаимодействие с хлором приводит к образованию ГОС (El-Rehaili A.M., Weber W.L.). Гуминовые и белковые вещества находятся в воде в молекулярно растворенном и коллоидном состоянии, а также могут адсорбироваться на поверхности коллоидных частиц, что повышает их устойчивость к коагуляции (Buffle J.) и затрудняет удаление при водоподготовке.
Несмотря на то влияние, которые гуминовые и белковые вещества природного и антропогенного происхождения оказывают на качество питьевой воды, показатели их содержания до сих пор не входят в перечень гигиенических нормативов для систем централизованного водоснабжения. По-видимому, это связано с отсутствием данных об их содержании и формах нахождения на разных этапах водоподготовки, а также доступных методик их определения (в том числе для технологического контроля). Введение таких показателей, обеспеченных методически, несомненно, актуально; оно будет способствовать повышению эффективности контроля и управления системой питьевого водоснабжения и, в итоге, улучшению качества питьевой воды. Наиболее перспективными для широкого применения являются безреагентные оптические методы контроля, не требующие пробоподготовки, отличающиеся минимальной длительностью единичного измерения и возможностью полной автоматизации.
Цель диссертационной работы состояла в обосновании и методическом обеспечении контроля примесей гуминового и белкового типа в воде поверхностного водоисточника и системы централизованного питьевого водоснабжения на основе оптических методов.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Проанализировать литературные данные об участии гуминовых и белковых веществ в формировании качества питьевой воды при водоподготовке, а также об информативности существующих показателей качества природной и питьевой воды в оценке содержания биоорганических примесей природного и антропогенного происхождения.
2. На примере системы централизованного питьевого водоснабжения с поверхностным водоисточником:
- изучить изменение форм нахождения гуминовых и белковых примесей воды в процессе водоподготовки, включающей коагуляцию сульфатом алюминия, хлорирование и ультрафиолетовое облучение;
- оценить содержание и формы нахождения потенциально токсичных компонентов воды, связанных с гуминовыми и белковыми веществами, а также образующихся с их участием при водоподготовке;
- обосновать информативность оптических методов для определения гуминовых примесей на различных этапах водоподготовки.
3. Обосновать и разработать спектрофлуориметрическую методику оценки загрязнения поверхностного водоисточника биоорганическими примесями бытовых сточных вод.
Научная новизна. В данной работе впервые:
1. Для системы питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга изучены закономерности процесса преобразования форм нахождения гуминовых и белковых примесей при водоподготовке путем сравнения содержания в невской, очищенной и водопроводной воде коллоидных и растворенных форм примесей гуминового и белкового типа, алюминия, железа, адсорбируемых галогенорганических соединений, а также электрокинетических свойств, агрегативной устойчивости и распределения по размерам коллоидных частиц.
2. Проведена оценка вкладов светорассеяния и светопоглощения в диапазоне длин волн 210…600 нм в оптическую плотность невской, очищенной и водопроводной воды Санкт-Петербурга, выявившая наибольшую информативность показателя оптической плотности в области 250 нм для контроля качества воды по растворенным гуминовым соединениям.
3. В широком диапазоне длин волн возбуждения получены и охарактеризованы спектры флуоресценции природных и питьевых вод, а также выделенных из них гуминовых веществ; для вод разного происхождения показаны различия в зависимостях положения максимума гуминового пика на спектрах флуоресценции от длины волны возбуждения.
4. Предложено использование флуориметрических показателей (интенсивности флуоресценции с коррекцией на первичный и вторичный внутренний фильтр и отношений интенсивностей флуоресценции при разных длинах волн) для:
- контроля растворенных гуминовых веществ в системе питьевого водоснабжения (по флуоресценции гуминового типа);
- оценки степени загрязнения поверхностного водоисточника биоорганическими примесями бытовых сточных вод (по флуоресценции белкового типа).
Практическая значимость.
Предложены безреагентные оптические экспресс-методики:
1) для контроля содержания гуминовых веществ в процессе водоподготовки – на основе фотометрии (с возможным применением серийно выпускаемых проточных датчиков) и флуориметрии (с применением отечественного анализатора "Флюорат-02-Панорама");
2) для выявления примесей белкового типа, поступающих в поверхностные водоисточники со сточными водами – на основе флуориметрии (с применением отечественного анализатора "Флюорат-02-Панорама).
На защиту выносятся:
1. данные по содержанию растворенных и коллоидных примесей воды на различных участках системы питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга;
2. обоснование фотометрической методики определения гуминовых веществ в водоисточнике и системе питьевого водоснабжения Санкт-Петербурга с учетом мутности воды;
3. результаты разработки спектрофлуориметрической методики определения гуминовых веществ и спектрофлуориметрические характеристики ряда природных и питьевых вод;
4. данные по содержанию ГОС, подтверждающие ведущую роль водоподготовки в их образовании в питьевой воде Санкт-Петербурга;
5. спектрофлуориметрическая методика оценки степени загрязнения поверхностных вод биоорганическими примесями бытовых стоков с применением отечественного серийного анализатора Флюорат-02-Панорама.
Обоснованность и достоверность исследований подтверждаются: применением аттестованных методик анализа и приборов; использованием статистической обработки при оценке достоверности полученных зависимостей и различий между значениями, взаимоcогласованностью экспериментальных результатов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на научно–практических конференциях и школах-семинарах «Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий» (Санкт-Петербург, 2002 – 2005 гг.), The 4-th and 5-th International Youth Environmental Forums of Baltic Countries «Ecobaltica 2002», «Ecobaltica 2004», Topical Meeting of the European Ceramic Society "Structural chemistry of partially ordered systems. Nanoparticles and nanocomposites" (Saint-Petersburg, 2006 г.), Политехническом симпозиуме «Молодые ученые – промышленности Северо-Запада» (2007 г.).
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации в соавторстве опубликовано 21 работа, из них 5 статей в журналах списка ВАК. По публикациям личный вклад автора от 30 до 70%.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 5 глав, результатов и выводов, списка литературы из 177 наименований, 12 приложений. Диссертация изложена на 200 стр. машинописного текста (включая приложения), содержит 29 таблиц и 44 рисунка.
