Сучасні способи знезаражування питної води

Взаємозв’язок екологія – здоров’я людини є одним з найголовніших пріоритетів природоохоронної діяльності в нашій країні. Важлива роль у цьому взаємозв’язку належить питній воді. Безперечність впливу водного фактора на здоров’я населення доведена більш ніж столітньою практикою розвитку централізованого водопостачання в країні. Загальновідома роль складу води у виникненні інфекційних захворювань. Наприкінці дев’ятнадцятого, на початку двадцятого сторіччя з введенням у дію централізованих систем водопостачання повсюди почала знижуватися кількість інфекційних захворювань та смертність населення. Останнім часом з’явилася значна кількість праць, присвячених впливу якості питної води на неінфекційну захворюваність. Встановлено, що мінеральний баланс організму, який має важливе значення у виникненні та попередженні цілого ряду соматичних захворювань, тісно пов’язаний з хімічним складом води, яку ми споживаємо. Проблема отримання населенням країни якісної питної води актуальна і в наш час. Саме тому в статті 4 Закону України «Про забезпечення санітарного та епідемічного благополуччя населення» вказано, що громадяни мають право на питну воду, безпечну для здоров’я.

Згідно зі статтею 7 Закону України «Про питну воду та питне водопостачання», держава гарантує захист прав споживачів у сфері питної води та питного водопостачання шляхом забезпечення кожної людини питною водою нормативної якості (в межах науково обґрунтованих нормативів питного водопостачання залежно від району та умов проживання) та шляхом здійснення заходів організаційного, науково-технічного, санітарно-епідеміологічного, природоохоронного, економічного, правового характеру щодо поліпшення якості питної води, розвитку питного водопостачання, охорони джерел і систем питного водопостачання.

Одним із головних, принципових питань гігієни питної води є вибір вододжерела. Цей вибір здійснюється шляхом техніко-економічних порівнянь варіантів, найважливішими гігієнічними характеристиками яких є доступність джерела, його водообсяг, співвідношення з передбачуваними потребами у воді, захищеність джерела від впливу природних та соціальних (техногенних) факторів, тобто ступінь надійності вододжерела в гігієнічному відношенні. Необхідно також врахувати можливість організації зон санітарної охорони, що дозволяють ефективно контролювати допустимий ступінь негативного впливу на джерело.

Вода поверхневих джерел водопостачання містить різноманітні інгредієнти, кількість яких у питній воді обмежується нормативними документами. В літні місяці у вододжерелах, особливо у водосховищах, бурхливо розвивається фіто- та зоопланктон. У великих межах (від десятків до кількох тисяч міліграмів в 1 літрі) коливається вміст завислих речовин. У воді поверхневих водоймищ звичайно є велика кількість різноманітних бактерій та вірусів, серед яких зустрічаються й патогенні. Як правило, при організації централізованого господарсько-питного водопостачання вода джерела проходить ту чи іншу обробку, метою якої є доведення її складу та властивостей до нормативних вимог ГОСТу 2874-82 «Вода питна» та СанПіНу №383 «Вода питна. Гігієнічні вимоги до якості води централізованого господарсько-питного водопостачання».

Основними засобами поліпшення якості води є освітлення, знебарвлення та знезаражування. Очисні споруди водопроводу, основною функцією яких є освітлення і знебарвлення, спроможні, крім того, затримувати до 90% бактерій та вірусів, що знаходяться у воді.

Процес знезаражування води полягає в сорбції бактерій і вірусів на поверхні завислих частинок та пластівців і осадженні спільно з ними у відстійнику або у порах фільтруючої загрузки, що багато в чому залежить від характеру зависі, параметри якої не є постійними. Частина бактерій та вірусів, залишаючись у воді вільними, проникає крізь очисні споруди та опиняється у фільтрованій воді. Для забезпечення надійного та керованого бар’єру на шляху можливого передавання через воду кишкових інфекцій застосовується її знезаражування.

Сучасні гігієнічні критерії оцінки знезаражування питної води полягають у наступному:

- безумовна ефективність бактерицидної дії стосовно вегетативних та спорових форм мікроорганізмів, вірусів, цист кишкових найпростіших тощо;

- наявність післядії, що визначає епідемічну надійність засобу (відсутність явища реактивації, ефективність знезаражування води стосовно вторинного мікробного забруднення);

- відсутність гігієнічно значущих змін фізико-хімічного складу та органолептичних властивостей обробленої води при збереженні показника її фізіологічної повноцінності;

- відсутність явищ деструкції та трансформації хімічного складу знезараженої води, її токсичної дії у найближчому та в далекому майбутньому на організм людини;

- наявність супровідних сприятливих ефектів (дезодорації, зниження каламутності, кольоровості, концентрації органічних та неорганічних забруднювачів та ін.).

У практиці комунального водопостачання використовуються реагентні (хлорування, озонування) та безреагентні (ультрафіолетове опромінювання, вплив у-променями, лазерними променями та ін.) засоби.

У наш час найрозповсюдженішим завдяки технічним, гігієнічним та економічним перевагам перед іншими засобами знезаражування є спосіб хлорування води. Для хлорування води використовуються різні сполуки хлору та різні способи їх взаємодії з водою. Найбільш розповсюдженим є рідкий хлор, який надходить на водопровідні станції в балонах під високим тиском. При зниженні тиску хлор переходить у газоподібний стан і легко розчиняється у воді. Знезаражуючу дію забезпечує гіпохлоритний іон та недисоційована хлорноватіста кислота. Процес знезаражування води проходить дві стадії: спочатку знезаражуючий агент дифундує всередину бактеріальної клітини, а потім вступає в реакцію з ензимами клітини, в першу чергу, з дегідрогеназами. Доведено пряму кореляцію ступеня пригнічення активності дегідрогеназ з бактерицидним ефектом. Швидкість знезаражування зростає зі збільшенням концентрації знезаражувальної речовини у воді, підвищенням температури і переходом знезаражувального агента в недисоційовану форму, тому що дифузія молекул крізь мембрану клітини проходить швидше, ніж гідратованих іонів, які утворюються при дисоціації.

Хлорування як засіб знезаражування води має деякі недоліки. Це складність транспортування та зберігання рідкого хлору – високотоксичної сполуки, необхідність дотримання численних вимог з техніки безпеки, тривалий час контакту для досягнення знезаражувального ефекту. Хлорування не забезпечує необхідної епідемічної безпеки стосовно вірусів. Негативною властивістю хлорування є також утворення хлорорганічних сполук і хлорамінів, які стосовно до людини мають високу токсичність, мутагенність і канцерогенність. Використання хлору для знезаражування питної води призводить до утворення понад 100 хлорорганічних сполук. Реакція хлору з органічними сполуками проходить досить повільно, навіть при перенасиченні хлору протягом перших 6 годин утворюється 50% вторинних продуктів, абсолютна кількість яких пропорційна поглинутому хлору. Спостереження закордонних дослідників свідчать про наявність прямого зв’язку між рівнем захворюваності на рак нирок, сечового міхура, кишечника та інших локалізацій тривалим вживанням хлорованої питної води, яка містить хлорорганічні і сполуки, перш за все, хлороформ. Але велика кількість сполук, знайдена при хлоруванні води, до цього часу недостатньо вивчена.

Окрім хлору-газу, в практиці знезаражування води використовується ряд його сполук (діоксид хлору, гіпохлорит натрію, гіпохлорит кальцію). Гіпохлорити кальцію та натрію – це солі хлорноватістої кислоти. Діючим початком гіпохлоритів є гіпохлоритний іон.

Останнім часом у практику знезаражування питної води впроваджено метод, при якому отримання гіпохлоритів здійснюється на місці споживання електролітичним способом. Як електроліти використовуються спеціально приготовані розчини хлориду натрію або природні електроліти – підземні мінералізовані та морські води. Отримання гіпохлоритів безпосередньо на водопровідній станції має значні економічні переваги та дозволяє уникнути транспортування та зберігання рідкого хлору, який є небезпечним і токсичним продуктом.

У наш час за кордоном (у Північній Америці, Європі, Ізраїлі, Японії) для очищення питної води використовується діоксид хлору. Діоксид хлору – це ефективний дезінфікуючий засіб, який має такі переваги над хлором: більш висока бактерицидна і спороцидна дія стосовно сильних вірусних забруднень; відсутність у продуктах обробки хлорорганічних сполук (у тому числі канцерогенних); висока дезодоруюча дія; високий ступінь окислення (до утворення СО2); поліпшення органолептичних властивостей питної води. Діоксид хлору має переваги і перед іншими відомими засобами, що використовуються з метою знезаражування води. На відміну від перекису водню він забезпечує ефект довгого стійкого знезаражування води від вірусів та бактерій. У порівнянні з гіпохлоритом натрію діоксид хлору більш стійкий, забезпечує високу ступінь окислення органічних забруднень, потребує менших витрат на обробку, особливо за наявності азотутримуючих домішок. Переваги використання діоксиду хлору перед іншими дезінфікуючими агентами підтверджені на водоочисних станціях багатьох країн.

Ще одним із перспективних засобів знезаражування питної води є обробка її озоном. Вперше експерименти з використання бактерицидних властивостей озону були проведені у Франції. Перша в світі виробнича озонаторна установка була збудована в 1911 році в Петербурзі. Знезаражування води способом озонування широко використовується в США та країнах Західної Європи. Молекула озону легко розкладається на атом та молекулу кисню. При розкладанні озону в воді як проміжні продукти утворюються короткоживучі вільні радикали. Молекулярний кисень та вільні радикали – це сильні окислювачі, які обумовлюють бактерицидні властивості озону. Завдяки сильним окислювальним властивостям озон руйнує кліткові мембрани та стінки, окислювально-відновлювальну систему бактерій та їхню протоплазму на відміну від хлору, який діє лише на ферментативну систему бактеріальної клітини. Різниця в дії цих дезінфектантів пояснюється спроможністю озону знезаражувати і спороутворюючі види бактерій. Озон має також високу вірулецидну дію. Переваги озону перед хлором при знезаражуванні води полягають у тому, що озон не утворює у воді сполук, подібних хлорорганічним, поліпшує органолептичні властивості води та забезпечує бактерицидний ефект при меншому часі контакту (до 10 хвилин). Озон більш ефективний стосовно патогенних найпростіших, що знаходяться у воді (лямблії, дизентерійні амеби). При застосуванні озону в процесі обробки води відбувається обезбарвлення та зникають присмаки та запахи.

Однак озон як окислювач прямої дії має ряд негативних особливостей. А саме: озон ефективно взаємодіє з фенолами, поліароматичними та олефіновими аліфатичними вуглеводнями, в якості продуктів утворюються органічні кислоти, альдегіди і кетони, які частіше бувають більш токсичними, ніж первинні речовини. Як показують дослідження, частіше над усе в озонованій воді виявляються такі сполуки, як формальдегід, ацетальдегід, гліоксаль та метилгліоксаль. Окрім того, при озонуванні води, що має броміди, утворюються бромат-іони, присутність яких у питній воді обмежується на досить низькому рівні.

Як свідчить зарубіжний та вітчизняний досвід, застосування озону не виключає використання хлору або УФ-опромінення. Це пов’язано з тим, що озон швидко розкладається у воді та не має тривалої бактерицидної дії. Для забезпечення безпеки та нешкідливості в санітарно-гігієнічному відношенні води, що транспортується водопровідною мережею до споживачів, на заключній стадії очищення необхідно проводити знезаражування води дозами хлор–реагентів, достатніми для гарантії необхідної якості питної води в будь-якій точці водопровідної мережі.

Поширене застосування озонування в практиці обробки води стримується високою енергоємністю процесу одержання озону та необхідністю великих виробничих площ. Принципові труднощі пов’язані також з утворенням токсичних побічних продуктів, низькою розчинністю озону в воді, його власною високою токсичністю та вибухонебезпечністю.

Знезаражування води ультрафіолетовими (бактерицидними) променями відноситься до фізичних, або безреагентних, методів. В Європі УФ- випромінювання використовують для водопідготовки з 1955 року. В Швейцарії, Австрії, Норвегії в 90-х роках минулого сторіччя нараховувалося понад 1500 установок потужністю до 1000 м³/годину. Для знезаражування води доцільно використовувати лампи низького тиску, які характеризуються відсутністю високотемпературних ефектів та простотою пускорегулюючої електроапаратури, а головне, забезпечують досягнення бактерицидного ефекту при незмінності хімічного складу води, що обробляється (відсутність побічних продуктів). Ртутні лампи середнього та високого тиску використовувати недоцільно, тому що вони сприяють деструктивному руйнуванню органічних речовин та можуть змінити хімічний склад води за рахунок супутніх бактерицидному ефекту фотохімічних перетворень розчинених у воді речовин.

Бактерицидну дію створює ділянка УФ-частини оптичного спектра в діапазоні хвиль від 275 до 200 нм. Максимум бактерицидної дії припадає на промені з довжиною хвилі 260 нм. Спектр «бактерицидної дії» УФ-світла співпадає зі спектром поглинання ДНК (260 нм). Бактерицидне світло ефективно руйнує молекули ДНК бактерій, вірусів та мікроорганізмів, що можуть знаходитись у воді. Механізм бактерицидної дії УФ-опромінення в наш час пояснюється розривом хімічних зв’язків з ензимними системами бактеріальної клітини під впливом поглинутої енергії та як наслідок порушення мікроструктури та метаболізму клітини, що призводить до її загибелі. Мають місце і вторинні процеси, в основі яких лежить дія біологічно активних речовин, що утворюються в клітині внаслідок опромінення.

На ефективність знезаражування УФ-опроміненням великий вплив справляє коефіцієнт поглинання променів початкової води, яка в свою чергу залежить від ступеня каламутності, кольоровості води, її сольового складу. Це треба враховувати при розрахунку установок.

Переваги застосування методу УФ-опромінення в процесі знезаражування води: відсутність потреби в зберіганні, транспортуванні або виробництві небезпечних розчинів і газів. Для досягнення ефекту знезаражування необхідно лише декілька секунд (у порівнянні з 10-30 хвилинами при обробці озоном чи хлором); процес знезаражування не потребує наявності спеціальних контактних ємностей. На відміну від хлорування або озонування при правильному виборі джерела і дози УФ-випромінювання, знезаражування води не супроводжується зміненням її хімічного складу або появою якихось токсичних побічних продуктів.

Недоліками УФ-опромінення в процесі знезаражування води є те, що обробка води з більш високими, ніж регламентуються, показниками каламутності, кольоровості може стати небезпечною для здоров’я споживачів. Мікроорганізми, особливо в поверхневій воді, можуть бути пов’язані з компонентами зависі, знаходитись усередині конгломератів, що захищає їх від дії УФ-променів. Завись у воді неоднорідна, різні її частинки по-різному поглинають, відображають, екранують УФ-промені, що може шкодити взаємодії необхідної дози УФ-променів з мікроорганізмами, призводячи до недостатньої ефективності знезаражування. У деяких умовах застосування УФ-опромінення можливі уповільнення росту життєспроможних бактерій, що залишилися, темнова репарація, фотореактивація і стимуляція розвитку бактерій і деяких водних найпростіших. Пошкоджені, не зовсім життєспроможні бактерії можуть залишитися невиявленими під час стандартного санітарно-бактеріологічного контролю якості питної води, і висновок про епідемічну безпечність дослідженої води буде помилковим. Ультрафіолет не має пролонгуючої дії, тому не в змозі захистити воду, що подається в мережу від вторинного забруднення.

У процесі транспортування води мережами ряд показників її якості змінюється, це залежить не тільки від властивостей первинної води, а й від стану мережі, її довжини, наявності резервуарів чистої води та рівня експлуатації. Наприклад, розвиток в трубопроводах біологічних наростів та відкладень, процесів біокорозії, що викликаються не тільки контрольованими організмами, але і тими, що не нормуються в питній воді, призводить до погіршення санітарно-технічного стану розвідної мережі, негативно впливає на якість води, що транспортується споживачам.

Таким чином, знезаражування води УФ-опроміненням має досить обмежену галузь застосування і не може розглядатись як альтернатива надійному в санітарно-епідеміологічному відношенні методу знезаражування води з використанням хімічних реагентів у промислових масштабах.

Інші безреагентні методи знезаражування води – обробка ультразвуком, у-випромінюванням, які дали позитивний бактерицидний ефект в експериментальних умовах, у водопровідній практиці застосування не знайшли через техніко-економічні причини.

Усі відомі способи знезаражування питної води мають власні межі впливу на патогени і тому повинні використовуватися, виходячи із здорового розуму, який дозволяє уникнути побічної дії на здоров’я людей. Правильний вибір дезінфектанту або комбінації дезінфікуючих засобів, забезпечення умов ефективного індивідуального їх використання дозволить отримувати високоякісну питну воду в промислових масштабах. Але слід завжди пам’ятати, що людина та навколишнє середовище нерозривно пов’язані між собою і дбайливе ставлення до землі, води, повітря дозволить нам уникнути багатьох проблем, у тому числі з очищенням довкілля від наслідків наших, іноді не зовсім обдуманих, вчинків. Тому охорона та оздоровлення навколишнього середовища залишається одним з головних резервів поліпшення стану здоров’я населення.