Гигиенические аспекты использования дезинфектантов хлорпроизводного ряда в централизованном хозяйственно-питьевом водоснабжении

Актуальность проблемы. Федеральным Законом «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения» РФ № 52-ФЗ от 30 марта 1999 г. защита и сохранение здоровья населения провозглашена в качестве государственной национальной проблемы. Важнейшим направлением в ее решении является обеспечение оптимальных условий среды обитания человека, негативные процессы которой оказывают существенное влияние на его здоровье.

Среди факторов окружающей среды, формирующих комплексную ан-тропотехногенную нагрузку на организм человека, одно из первых мест принадлежит качеству питьевой воды. Вклад питьевой воды может достигать 30%.

В современных условиях обеспечение населения доброкачественной питьевой водой становится все более актуальной гигиенической, научно-технической и социальной проблемой. Это вызвано растущим дефицитом воды питьевого качества, интенсивным химическим и бактериологическим загрязнением источников питьевого водоснабжения и несовершенством водо-подготовки на очистных сооружениях, а также изношенностью разводящих сетей.

По данным Государственных докладов «О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации» [95, 96, 97] в целом по России число нестандартных проб питьевой воды, подаваемой населению, по санитарно-химическим показателям составляет 19,5%, а микробиологическим — 9,08% .

Микробное загрязнение питьевой воды нередко является причиной возникновения кишечных инфекций. Так, число зарегистрированных вспышек острых кишечных заболеваний возросло с 112 в 1997 г. до 155 в 2001 г. Почти вдвое увеличилось число пострадавших.

Проблема водоснабжения населения не теряет актуальности и для уральского региона, использующего в качестве источников поверхностные водоемы с высокой цветностью, а также содержащие тяжелые металлы природного и техногенного происхождения, в том числе марганец и железо (Свердловская, Пермская, Челябинская, Тюменская области, Ямало-Ненецкий национальный округ). Освобождение питьевой воды от соединений марганца до сих пор не имеет однозначного решения,.

В XXI веке перспективными направлениями в решении этой проблемы будут усиление охраны водоисточников от загрязнения и совершенствование технологий водоподготовки, так как действующие в настоящее время очистные сооружения в условиях растущей интенсивности загрязнения водоисточников не способны осуществлять свои барьерные функции в отношении тяжелых металлов, хлорорганических соединений, фенолов, нефтепродуктов, вирусов, кишечных протозойных и других загрязнений [79, 114, 117, 122, 124].

Многопрофильность проблемы обеспечения населения доброкачественной питьевой водой определяет актуальность научных разработок по совершенствованию технологических процессов очистки воды и исследований по их гигиенической оценке [121].

Особую значимость приобретают вопросы обеззараживания и консервации питьевой воды [1]. В последние годы появляется масса реагентов и технологий, интенсифицирующих процесс водоподготовки и повышающих барьерную роль водопроводных сооружений (коагулянты, флокулянты, сорбенты). Однако в качестве дезинфицирующих реагентов по-прежнему продолжают использоваться соединения хлора (жидкий хлор, хлорная известь, гипохлориты кальция и др.). Эти реагенты не обеспечивают полной эпидемической безопасности питьевой воды, особенно при инфицировании анаэробными микроорганизмами и вирусами. Дозы хлора, обеспечивающие уничтожение бактериальной микрофлоры, зачастую неэффективны в отношении кишечных вирусов [3, 127, 129], в том числе вирусов гепатита, А и ротавиру-сов [78].

Кроме того, при хлорировании воды с высоким содержанием органических веществ природного и техногенного происхождения образуются токсичные хлорорганические соединений — тригалометаны, обладающие канцерогенным и мутагенным эффектом [50, 65, 66, 67, 143, 146, 104, 151].

В Свердловской области доля проб питьевой воды, в которых содержание хлорорганических соединений не соответствовало ПДК, в 1999 г. составила 16,6%, Пермской — 8,2, Ямало-Ненецком округе — 70% [96, 97].

Таким образом, недостаточная эффективность свободного хлора в достижении обеззараживающего эффекта и образование опасных для здоровья человека хлорорганических соединений обусловливают актуальность поиска и внедрения более эффективных и менее опасных для здоровья населения дезинфицирующих агентов в подготовке питьевой воды. К такого рода реагентам относятся диоксид хлора и нейтральный анолит.

По своей химической природе диоксид хлора является сильным окислителем, который, вступая в контакт с водой, обеспечивает мощный бактерицидный эффект, а образующиеся при его распаде хлориты и хлораты обладают пролонгированным обеззараживающим действием при транспортировке воды в разводящих сетях [31, 32, 103, 112].

Нейтральный анолит представляет собой смесь сильных кислородсодержащих окислителей и, обладая высокой цитотоксичностью, оказывает бактерицидное действие [19, 20, 21, 111].

Эти реагенты применяются в качестве окислителей и дезинфектантов в зарубежной практике водоснабжения [160]. Однако их эффективность во многом зависит от качества исходной обрабатываемой воды и общей схемы водоподготовки. Особые трудности вызывает применение диоксида хлора для обработки высокоцветных вод, содержащих органические и неорганические техногенные загрязнения.

Недостаточная изученность механизма взаимодействия диоксида хлора и анолита нейтрального с высокоцветными водами затрудняет разработку принципа установления рабочих доз и гигиеническую оценку их обеззараживающего эффекта в условиях текущего режима и чрезвычайной эпидемической ситуации.

Не изучены органолептические свойства, токсичность и мутагенность воды при обработке диоксидом хлора и анолитом нейтральным. Решению этих вопросов посвящена выполненная работа. Цель работы. Дать сравнительную гигиеническую оценку диоксида хлора и анолита нейтральногоразработать рекомендации санитарно-эпидемиологического контроля при их использовании в качестве дезинфек-тантов в централизованном хозяйственно-питьевом водоснабжении.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• определение бактерицидных, вирулицидных, антипаразитарных свойств дезинфектантов с установлением принципа подбора рабочих доз при работе в текущем режиме и в чрезвычайной эпидемической ситуации;

• изучение способности хлорпроизводных дезинфектантов как окислителей органических и неорганических веществ, содержащихся в воде водоисточников, образования хлорорганических соединений, окисления марганца и железа;

• изучение влияния дезинфектантов на органолептические свойства обрабатываемой воды;

• исследование токсичности, мутагенности, гонадотоксичности и алер-генных свойств воды, обработанной изучаемыми дезинфектантами;

• оценка хлорпроизводных дезинфектантов в опытно-промышленных испытаниях;

• разработка схемы производственного и санитарно-эпидемиологического контроля в технологии водоподготовки с использованием хлорпроизводных дезинфектантов.

Научная новизна и теоретическая значимость.

Впервые изучены закономерности, дана оценка сравнительной гигиенической эффективности, обоснованы оптимальные режимы использования новых дезинфектантов хлорпроизводного ряда, их преимуществ перед жидким хлором при использовании в обработке высокоцветных вод, содержащих железо и марганец.

Доказан повышенный бактерицидный и вирулицидный эффект, уменьшение образования хлорорганических соединений, выявлена безопасность для здоровья населения питьевой воды, обработанной изученными дезинфенктантами в сравнении с хлором.

Практическая значимость. Разработаны информативные критерии гигиенической оценки технологий обеззараживания питьевой воды дезин-фектантами хлорпроизводного ряда. Предложена схема производственно-лабораторного контроля за эффективностью водоподготовки и качеством воды, подаваемой населению, которая апробирована в опытно-промышленных испытаниях, утверждена органами санэпиднадзора и внедрена на Верхне-Выйском водопроводе г. Н.Тагила. Получено санитарно-эпидемиологическое заключение Областного центра Госсанэпиднадзора, разрешающее постоянное использование диоксидной технологии на Верхнее-Выйском водопроводе г. Н.Тагил.

Результаты исследований послужили основанием для получения официального разрешения Министерства здравоохранения и социального развития РФ на использование диоксида хлора в практике водоподготовки в централизованном хозяйственно-питьевом водоснабжении.

На защиту выносятся положения, обосновывающие преимущества диоксида хлора и анолита нейтрального, по сравнению с хлором при обработке высокоцветных вод с высоким содержанием органических веществ природного и техногенного происхождения:

1. Диоксид хлора и анолит нейтральный обладают более сильным обеззараживающим действием по отношению к микрофлоре.

2. Изученные дезинфектанты уменьшают образование хлорорганиче-ских соединений, не сообщают воде неприятных (в том числе хлор-фенольных) запахов.

3. Совместное использование диоксида хлора и хлора значительно снижает дозу хлора, необходимую для достижения дезинфицирующего эффекта, уменьшая тем самым образование галогенсодержа-щих соединений, и обеспечивая стойкий пролонгированный эффект в распределительных сетях.

4. По результатам хронических санитарно-токсикологических экспериментов вода, обработанная диоксидом хлора и анолитом нейтральным, безопасна для здоровья населения.

Апробация работы и публикация материалов.

По результатам исследований опубликовано 12 статей.

Работа докладывалась и обсуждалась на:

— Двенадцатой Международной выставке-семинаре «Уралэкология. Техноген. Металлургия» 27−29 марта 2002, г. Екатеринбург.

— Пятом Международном конгрессе «Экватэк-2002. Вода. Экология и технология», 4−7 июня 2002, г. Москва.

— Пленуме Межведомственного научного совета по экологии человека и гигиене окружающей среды Российской Федерации. 15−16 декабря 2002, г. Москва.

— Седьмом международном симпозиуме «Чистая вода России-2003», 1519 апреля 2003, г. Екатеринбург.

— Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 80-летию создания Госсанэпиднадзора России, 2002, г. Москва.

— Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов», 2003, г. Екатеринбург.

— Всероссийской конференции «Экологические проблемы промышленных регионов», 2004, г. Екатеринбург.

— Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы промышленных регионов», 2004, г. Екатеринбург.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, четырех глав по методике и результатам собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы.

ВЫВОДЫ.

1. Использование диоксида хлора и анолита нейтрального в хозяйственно-питьевом водоснабжении при обработке высокоцветных вод, содержащих органические и неорганические вещества природного и техногенного происхождения, имеет существенные преимущества по сравнению с хлором.

2. При изолированном применении диоксида хлора в модельных экспериментах для обработки воды поверхностных водохранилищ без предварительного бактериального загрязнения бактерицидный эффект достигается в о дозе лишь 0,5 мг/дм, что соответствует содержанию хлорит-иона 2−3 ПДК. Гарантированный 100% бактерицидный, вирулицидный эффект при искусственном заражении воды Е. Coli, Sh. Flexneri и вирусом Polio I не обеспечивается внесением диоксида хлора в концентрациях 6−7 ПДК по хлорит-иону, что служит основанием комбинированного использования жидкого хлора на стадии первичного хлорирования и диоксида хлора как дезинфектанта.

3. Комбинированное использование хлора на стадии первичного хлоо рирования в дозе 0,2 мг/дм остаточного свободного хлора и диоксида хлора л 0,2 мг/дм обеспечивает полный бактерицидный и вирулицидный эффект. Максимальные дозы на случай чрезвычайной эпидемической ситуации 0,7 мг/дм остаточного свободного хлора и 0,8 мг/дмхлорит-иона.

4. Диоксид хлора в концентрациях до 5−6 ПДК по хлорит-иону не приводит к образованию хлорорганических соединений и появлению хлорфе-нольного запаха как в воде без добавления органических веществ, так и с предварительным загрязнением СПАВ, нефтепродуктами, феноломсодержание хлорфенола при этом ниже ПДК. Комбинированное применение де-зинфектантов снижает содержание хлороформа за счет уменьшения испольо зующихся доз хлора. При минимизации подачи хлора до 0,1 — 0,2 мг/дм и о диоксида хлора — 0,1−0,2 мг/дм концентрации хлороформа также ниже ПДК.

5. Диоксид хлора в модельных экспериментах обусловливает некоторое снижение концентраций марганца. Однако достижение гигиенических нормативов по марганцу возможно лишь при дозах диоксида хлора, превышающих ПДК по хлорит-иону.

6. Вода, обработанная диоксидом хлора в дозах до 5 ПДК хлорит-иона совместно с хлором в дозе 1,5 мг/дм3 остаточного свободного хлора, не обладает острой токсичностью по отношению к светящимся бактериям и сперматозоидам бычков, не проявляет суммарной мутагенной активности в тесте Эймса. Хроническая затравка животных водой, обработанной изолированно хлором в дозе 3 ПДК остаточного свободного хлора, диоксидом хлора — 10 ПДК по хлорит-иону, совместно хлором и диоксидом хлора в концентрациях 3 ПДК и 5 ПДК соответственно, не вызывала каких-либо изменений в их функциональном состоянии.

7. В опытно-промышленных испытаниях устойчивый обеззараживающий эффект достигается при содержании в воде при ее подаче населению, остаточного свободного хлора 0,1−0,2 мг/дм3 и диоксида хлора 0,2 мг/дм3 (не выше ПДК хлорит-ионов). При этом ОКБ, ТКБ, ОМЧ, коли-фаги, СРК, патогенная микрофлора, вирусы, цисты лямблий не обнаруживаются не только при подаче, но и в разводящей сети, что позволяет исключить дополнительную подачу хлора в сети.

8. Преимущества анолита нейтрального по отношению к жидкому хлору при обработке питьевой воды в одинаковых дозах 1,0 и 0,5 мг/дм3 остаточного свободного хлора проявляется в снижении образования хлорорганических соединений, токсичности, более высокой бактерицидности.

9. Результаты исследований служат основанием для получения официального разрешения Министерства здравоохранения и социального развития РФ на применение диоксида хлора и анолита нейтрального в практике централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения.

Заключение

.

Одним из основных направлений гарантированного обеспечения снабжения населения доброкачественной питьевой водой наряду с усилением охраны водоисточников от загрязнения в XXI в. будет совершенствование ее водоподготовки. Действующие в настоящее время технологии водоподготовки не могут полностью осуществлять свои барьерные функции.

Особую значимость приобретает обеззараживание и консервация питьевой воды.

Более чем вековое использование хлорирования, как основного способа обеззараживания питьевой воды, обусловлено такими его преимуществами, как высокий обеззараживающий эффект в момент внесения в воду и длительный пролонгированный бактерицидный эффект в разводящих сетях. Несомненную роль в его распространении в качестве обеззараживающего реагента сыграла относительная дешевизна и простота получения.

В последние десятилетия в мировом опыте использования хлорирования сформулировалось четкое представление о его негативных последствиях: недостаточный бактерицидный эффект, образование высокотоксичных канцерогенных галогенсодержащих соединений при взаимодействии с органическими веществами и неспособность обеспечить гарантированную эпидемическую безопасность в отношении вирусов.

Недостаточная эффективность хлорирования обусловливает актуальность поиска более эффективных и менее опасных для здоровья человека технологий обеззараживания питьевой воды.

Среди хлорпроизводных веществ к такого рода реагентам относится диоксид хлора и анолит нейтральный.

Диоксид хлора является сильным окислителем и при контакте с водой обеспечивает мощный бактерицидный эффект, а образующиеся при его распаде хлориты и хлораты оказывают пролонгированное действие при транспортировке воды в разводящих сетях.

Анолит нейтральный представляет собой смесь самых разнообразных кислородсодержащих окислителей, в том числе хлориты, атомарный кислород, диоксид хлора, озон и др. и, обладая высокой цитотоксичностью, также оказывает бактерицидный эффект.

Однако эффективность этих реагентов во многом зависит от качества исходной обрабатываемой воды, и общей схемы водоподготовки.

Особые трудности в подборе рабочих доз вызывает применение дезин-фектантов для обработки высокоцветных вод, содержащих органические и неорганические техногенные загрязнения.

Невозможность полной идентификации химических веществ, образующихся при взаимодействии дезинфектантов с питьевой водой, создает необходимость ее суммарной мутагенной и общетоксической опасности, изменений органолептических свойств.

В настоящей работе дана гигиеническая оценка новых технологий дезинфекции питьевой воды с применением хлорсодержащих реагентов — диоксида хлора и анолита нейтрального в сравнении с атомарным хлором. Исследования включали разделы:

— определение бактерицидного, вирулицидного и антипаразитарного эффектов, подбор рабочих доз работы в текущем режиме и в случае чрезвычайной эпидемической ситуации;

— оценка дезинфектантов как окислителей органических и неорганических веществ;

— влияние дезинфектантов на органолептические свойства обрабатываемой воды, снижение содержания железа и марганца;

— оценка токсичности и возможных неблагоприятных отдаленных эффектов воды, обработанной дезинфектантами;

— разработка схемы производственного лабораторного контроля в технологии подготовки питьевой воды.

Исследования проводились в испытательных центрах: ГУ «ЕМНЦ МЗ РФ», ГУ «ОЦГСЭН в Свердловской области», МУП «Водоканал» г. г. Екатеринбурга и Н. Тагила, имеющих аттестаты аккредитации.

Гигиеническая оценка технологий давалась в соответствии МУ 2.1.4.783−99 и СанПиН 2.1.4.1077−01.

Диоксид хлора и его дозирование производили на установках Bello Zon фирмы Про-Минент, Германия. Сырьем для получения диоксида хлора служил хлорит натрия.

Анолит нейтральный получали на установке СТЭЛ путем электрохимического разложения хлорида натрия. Определение содержаний диоксида хлора проводили фотометрическим методом с М, М-диэтил-р-фенилендиамином, хлорит-ионов — потенциометрическим методом.

Анолит нейтральный контролировался по остаточному свободному хлору. Оборудование и реагенты имеют гигиенические заключения о соответствии санитарно-гигиеническим требованиям, методики определенияметрологически аттестованы.

Исследования диоксида хлора и анолита нейтрального проводились на стадии лабораторных испытаний. Диоксидная технология дополнительно оценивалась в опытно-промышленных испытаниях.

Индикаторными показателями бактерицидного действия служили: ТКБ, ОКБ, ОМЧ, определяемые по МУК 4.2.671−97 К-фаги МУК 4.2.1018−01. Вирулицидное действие оценивалось на вирусах полиомиелита — «Методы испытаний дезинфекционных средств для оценки эффективности и безопасности», 1998; антипаразитарное — по жизнеспособности цист лямблий — МУК 4.2.964−00.

Органолептические свойства воды и химический состав определялись гостированными методиками, хлорорганические соединений — по МУК 4.1.646−96 и ГОСТ Р 51 392−99.

Модельные эксперименты проводились на подземных водах и воде поверхностных источников централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения — Волчихинском и Верхне-Выйском водохранилищах, а также для сравнения оз. Глухого, различающихся показателями цветности, мутности, окисляемости перманганатной, бактериологического загрязнения. В модельных экспериментах образование хлорорганических соединений исследовалось на исходных природных водах и с искусственным добавлением органических веществ: фенолов, нефтепродуктов, СПАВ в концентрациях на уровне ПДК. Дезинфектанты вводились в максимальных дозах, установленных по бактерицидному эффекту.

Эффективность диоксида хлора как дезинфектанта в опытно-промышленных испытаниях оценивалась в течение года на Верхне-Выйском водопроводе г. Н. Тагила по специальной программе, разработанной в соответствии с программой по гигиенической оценке диоксида хлора в практике питьевого водоснабжения, утвержденной акад. РАМН Ю. А. Рахманиным.

Токсикологическая характеристика воды, обработанной дезинфектан-тами, давалась в экспрессных и хронических санитарно-токсикологических экспериментах.

Как показали результаты исследований, бактерицидное действие диоксида хлора по отношению к Е. Coli Sh Flexneri к вирусу Poolio I при предварительном внесении микроорганизмов в подземные воды достигалось в концентрации 0,5 мг/дм3, что соответствовало 1,5 ПДК по хлорит-иону.

В испытаниях на воде Верхне-Выйского и Волчихинского водохранилищ без предварительного бактериального заражения получить бактерицидный эффект диоксида хлора в пределах ПДК по хлориту-иону не удается.

В опытах с предварительным заражением воды гарантированный бактерицидный и вирулицидный эффект не проявился даже в дозе диоксида хлора 2,5 мг/дм3 (6−7 ПДК по хлорит-иону).

Ввиду отсутствия бактерицидного и вирулицидного эффекта диоксида хлора в концентрациях в пределах гигиенического норматива по хлорит-иону, на воде Верхне-Выйского водохранилища испытывалось комбинированное действие дезинфектантов: на первичной стадии — хлорирование, перед подачей в сеть — диоксид хлора.

Выраженный бактерицидный эффект по отношению к Е. Coli получен при концентрации остаточного свободного хлора-0,2 мг/дм3 и диоксида хлора — ПДК по хлоритам. ОМЧ, ТКБ, ОКБ, коли фаги — отрицательны. Эти дозы в качестве рабочих были рекомендованы для промышленных испытаний.

Гарантированный бактерицидный и вирулицидный эффекты при комбинированном использовании хлора и диоксида хлора в обработке воды с предварительным заражением Е. Coli, Sh. Flexneri и вирус Polio I был получен в концентрации 0,7 мг/дм3 остаточного свободного хлора и 4 ПДК по хлорит-иону. Эти концентрации рекомендованы на случай чрезвычайной эпидемической ситуации.

При обработке воды, зараженной Е. Coli до уровня свежего фекального загрязнения, в исходных концентрациях, одинаковых с жидким хлором, ано-лит нейтральный образует значительно меньше остаточного свободного хлора, но оказывает более выраженный бактерицидный эффект.

Диоксид хлора и хлор в испытанных дозах при изолированном и комбинированном применении без коагуляции и фильтрации не позволяют полностью освободиться от цист лямблий. Обработка воды диоксидом хлора в дозе до 5−6ПДК по хлорит-иону, независимо от цветности исходной воды, содержания органических веществ в отличие от хлора, не приводит к образованию хлорорганических соединений, не сообщает воде неприятных запахов.

Совместное использование хлора на стадии первичного хлорирования и диоксида хлора как дезинфектанта снижает образование хлорорганических соединений лишь за счет минимизации подачи хлора. Запах также не обнаруживается.

Существенного снижения железа и марганца в воде при концентрациях, образующихся хлорит-ионов в пределах ПДК, достичь не удается.

Вода, обработанная диоксидом хлора до 10 ПДК по хлорит-иону и в сочетании с 5 ПДК по хлорит-иону и хлору до 1,5 мг/дм3, не обладает острой токсичностью по отношению к светящимся бактериям и сперматозоидам бычков, не проявляет суммарной мутагенной активности в тесте Эймса.

Хроническая затравка животных водой, обработанной по диоксидной технологии и анолитом нейтральным, не вызывает значимых изменений их функционального состояния и неблагоприятных отдаленных эффектов.

В опытно-промышленных испытаниях, проведенных на Верхне-Выйском водопроводе г. Н. Тагила, установлено, что устойчивый обеззараживающий эффект достигается при содержании в воде на подаче населению остаточного свободного хлора 0,1−0,2 мг/дм3 и диоксида хлора 0,2 мг/дмЗ (не выше ПДК хлорит-иона): ОКБ, ТКБ, ОМЧ, коли-фаги, СРК, патогенная микрофлора, вирусы, цисты лямблий не обнаруживаются.

При этих исходных концентрациях хлориты сохраняются во всех контрольных точках разводящей сети, обеспечивая пролонгированный обеззараживающий эффект, что позволяет исключить дополнительную подачу хлора в сети.

Введение

новой системы обеззараживания питьевой воды улучшает ее органолептические свойства, снижает образование хлорорганических соединений: содержания хлороформа — на уровне или ниже ПДК, снижения железа и марганца не наблюдаются.

Разработана схема лабораторно-производственного контроля технологии совместного использования хлора и диоксида хлора для обеззараживания питьевой воды, технологический регламент и инструкция по технике безопасности для работающего персонала на диоксихлоридной установке.

Таким образом, результаты комплексных исследований свидетельствуют о преимуществах хлордиоксидной технологии обработки воды по сравнению с хлорированием, и могут служить основанием для получения официального разрешения на применение диоксида хлора в практике централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения населения.

Анолит нейтральный также имеет существенные преимущества в сравнении с хлором — более высокая бактерицидность, снижение образования хлорорганических соединений, отсутствие токсичности обработанной воды. В силу того, что его получение возможно лишь непосредственно на источнике, применение анолита нейтрального в качестве дезинфицирующего средства целесообразно при обработке воды малых водопроводов, плавательных бассейнов, в полевых условиях.