Питьевой воды при различных способах водоподготовки
На правах рукописи
ШУРЭНЦЭЦЭГ ХУРЭЛБААТАР
КАЧЕСТВО ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
СПОСОБАХ ВОДОПОДГОТОВКИ
Специальность 03.00.16 – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Иваново 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении
высшего профессионального образования
“Ивановский государственный химико-технологический университет” на кафедре «Промышленная экология»
Доктор химических наук,
Научный руководитель:
профессор Гриневич Владимир Иванович
Официальные оппоненты: Доктор химических наук, профессор Базанов Михаил Иванович Кандидат химических наук, доцент Ефимова Галина Александровна
Ведущая организация: Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева
Защита состоится «28» декабря 2009 г. в 12 часов в аудитории на за седании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.063.02 в Государственном образовательном учреждении высшего про фессионального образования “Ивановский государственный химико технологический университет” по адресу:
153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО “Ивановский государственный химико-технологический университет” по адресу:
153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.
Автореферат разослан « 27 » ноября 2009 г.
Учёный секретарь совета, д.т.н., ст.н.с. Гришина Е.П.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проблема содержания различных токсикантов в питьевой воде привлекает к себе внимание не только исследователей раз личных областей науки и специалистов водоподготовки, но и потребителей.
Концентрации загрязняющих веществ в поверхностных водах варьируются в широких пределах и зависит от многих факторов. Доминирующим из них является хозяйственная деятельность человека, в результате которой поверхностные стоки и атмосферные осадки загрязнены разнообразными веществами и соединениями, включая и органические. Качество питьевой во ды в значительной мере определяется стадией водоподготовки. В зависимо сти от того, какие для этого используют методы и реагенты, происходит фор мирование качества питьевой воды, поступающей в централизованную водо проводную сеть.
Сложность проблемы заключается в том, что набор органических загрязнителей, содержащихся в микроколичествах, как в поверхностных водах, так и питьевой воде очень широк и специфичен. Некоторые вещества, такие как пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорорганические соединения (ХОС), включая диоксины, тяжелые металлы (ТМ) даже в микродозах чрезвычайно опасны для здоровья человека.
Поэтому выявление взаимосвязей между содержанием токсикантов в природных водах, являющихся источниками водоснабжения, и в питьевой воде в зависимости от способа водоподготовки имеет актуальное значение.
Поиск альтернативных методов водоподготовки также является акту альной задачей.
Основной целью данной работы было выявление приоритетных за грязнителей природной и питьевой воды, а также оценка возможности при менения альтернативных методов водоподготовки.
Для достижения этих целей были выполнены:
- экспериментальные измерения наиболее важных показателей качества воды природной воды (сезонная и годовая динамика изменения качества) и воды из централизованной системы водоснабжения;
- измерения содержания токсикантов после альтернативных методов водо подготовки (озонирование и диэлектрический барьерный разряд - ДБР);
- оценка токсичности воды прошедшей различные виды обработки методом биотестирования;
- оценка влияния питьевой воды на здоровье населения по результатам экспе римента.
Новизна исследования. Определены критериальные загрязнители при родных вод (углеводороды нефти и фенолы, ТМ, ХОС). Установлено влияние содержания токсикантов в природной воде на качество питьевой воды в зави симости от применяемого метода водоподготовки. Показано, что основной вклад в появление ХОС (хлорметанов) в питьевой воде дают растворенные в воде органические соединения. Выявлено, что после хлорирования содержа ние хлорорганических соединений в питьевой воде увеличивается в 1.2- раза, а после озонирования и обработки в ДБР снижается в среднем в 2 раза.
Расчетами и экспериментально показано, что применение альтернативных методов водоподготовки (озонирование, ДБР) позволяет снизить величину токсичности воды (биотестирование) и суммарного общетоксического риска для потребителей воды.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для прогноза изменения качества природной и питьевой воды, а также для эколого-экономического обоснования необходимости модернизации систем водоподготовки, в частности для г.
Иваново.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивалась исполь зованием современных методов исследований и обработки результатов, вы полненных в соответствии с действующей нормативной документацией (ГОСТ, СанПиН, ГН, МУК и др.), проверкой их на воспроизводимость, а так же отсутствием противоречий с теми сведениями, которые были известны ра нее.
Личный вклад автора. Анализ литературных источников, выбор объек тов исследований с учетом их специфики, экспериментальные исследования выполнены лично автором. Постановка цели и задач исследования, интерпре тация и анализ полученных результатов, формулирование основных выводов диссертационной работы, проведены соискателем и совместно с научным ру ководителем.
Публикация и апробация работы. Основные результаты диссертации были доложены и обсуждены на научной конференции «Санитарно гигиеническая служба-70», Монголия, Улан-Батор, 2004;
Scientific conference “Heritage and innovation of medical sciences in Mongolia”, Mongolia, Ulan Bator, 2006;
на 8-м Международном конгрессе “Вода: экология и технология” ЭК ВАТЭК-2008, г. Москва;
на VII и VIII Региональной студенческой научной конференции с международным участием “Фундаментальные науки - специа листу нового века”, г. Иваново, 2008, 2009;
на 89-й научно-практической конференции студентов и молодых ученых ИвГМА «Неделя науки-2009», Иваново, 2009.
По результатам исследований опубликовано 14 работ, включая 1 статью из перечня журналов, рекомендованных ВАК.
Объём диссертации. Диссертация изложена на 146 стр., содержит табл., 53 рис. и состоит из введения, литературного обзора, методик исследо ваний, обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы, включающего 122 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрены основные источники загрязнения и фак торы, влияющие на состояние природных вод (источников водоснабжения).
Дан сравнительный анализ различных методов водоподготовки, позволяю щих снижать содержание поллютантов в питьевой воде (хлорирование, озо нирование, УФ-излучение). Установлено, что в настоящее время не сущест вует универсального метода для всех видов обработки воды: подготовки питьевой воды, обезвреживания промышленных, бытовых и ливневых стоков.
Показано, что изучение процессов поступления и миграции основных токси кантов в каждом конкретном водотоке является не только актуальным, но и обязательным как для улучшения качества воды в нем, так и для выбора ме тода водоподготовки.
Во второй главе приведены объекты исследований: физико географическая характеристика района Уводьского водозабора г. Иваново и общая характеристика системы водоснабжения г. Улан-Батора.
Приведено описание экспериментальных установок, а также методики озонирования и обработки в ДБР.
Показатели качества воды после озонирования, обработки в ДБР, воды из централизованной системы водоснабжения города и из водозабора, а также атмосферных выпадений проводили по стандартным методикам: рН потенциометрическим методом;
общую минерализацию (сухой остаток) - ве совым методом;
химическое (ХПК), биохимическое (БПК5) потребление ки слорода, растворенный кислород – титриметрическим методом;
SO42-, NO3-, NO2-, NH4+ - фотометрическим методом;
фенолы, нефтепродукты и формаль дегид - хемолюминесцентным методом (Флюорат-2М), хлорорганические со единения (хлороформ, 1,2-дихлорэтан, четыреххлористый углерод, трихлорэ тилен, 1,1,2,2 тетрахлорэтан) и пестицидов (гамма ГХЦГ, ДДТ) – хромато графическим методом (газовый хроматограф марки «Биолют» с детектором электронного захвата (ДЭЗ)), содержание металлов Cu, Fe, Mn, Cr, Ni, Сd, Zn – атомно-абсорбционным методом (спектрофотометр «Сатурн»). Случайная погрешность измерения ХОС хроматографическим методом (доверительная вероятность 0,95) не превышала 25 %, а относительная погрешность измере ния всех остальных показателей качества воды по стандартным методикам не превышала 20%.
Токсическое действие растворов определялось расчетным методом (рас чет потенциальной токсичности - ПТ) и методом биотестирования (тест объекты - Daphnia Magna (дафнии) и Poecillia Reticulata Peters (гуппи)). По грешность метода биотестирования на дафниях составляет 66 %, на гуппи – 42 %.
В третьей главе проводится обсуждение полученных эксперименталь ных данных. Качество воды в Уводьском водохранилище (водозабор).
Результаты измерений основных показателей качества воды в районе водозабора г. Иваново (местечко Авдотьино, поверхностный источник водо снабжения) в течение 2003-2008 гг. показывают, что водоток испытывает по вышенную нагрузку по следующим показателям (в долях ПДК по среднего довому значению): БПК5 (от 1.6 до 2), нефтепродукты (от 1.2 до 3.4), фенолы (от 5.1 до 10.2), железо (от 2.6 до 8.8), марганец (от 4.5 до 14), медь (от 3 до 8), цинк (от 1 до 4.5).
Содержание в Уводьском водозаборе органических веществ в составе растворенных форм и взвешенных частиц в 2008 г. зависит от сезонного фак тора (в осенний период содержание органических соединений в растворенной форме увеличивается, а взвешенных частиц уменьшается). В фазу устойчиво го водообмена содержание органических соединений выше, чем в зимние ме сяцы. По-видимому, это связано с более интенсивными процессами окисле ния, фотосинтеза или гидролиза части органических веществ и переводом их в растворенное состояние.
Наблюдается тенденция к уменьшению концентрации растворенного кислорода в период интенсивного фотосинтеза, то есть в теплое время года, что характерно для любых водоемов. Так летом, при увеличении интенсивно сти процессов фотосинтеза, концентрация растворенного кислорода падает в среднем до 8.3 мгО2/л. Это приводит к снижению интенсивности окислитель ных процессов загрязняющих веществ, однако адекватного роста содержания органических соединений в летние месяцы не наблюдается. Наблюдения, проведенные в течение всего исследуемого периода (2003-2008 гг.) времени, показали, что количество растворенного кислорода в Уводьском водохрани лище (водозабор) никогда не падало ниже нормы, и находилось в пределах 5.2-13.1 мгО2/л.
Перманганатная окисляемость (ПО), характеризующая содержание ор ганических и минеральных веществ, изменялась в течение 2003-2008 гг. в пределах, мгО2/л: 4.8-16.3;
а содержание биохимически окисляемых органи ческих соединений (БПК5) в воде водозабора колебалось от 2.3-5.76 мг О2/л.
Изменение среднегодового значения БПК5 в интервале наблюдений 2003 2008 гг. имеет тенденцию к снижению.
Б П К 5/П О 0,8 6 Б П К 5/П О 2 0 0 8 г.
0, 0,8 0,7 4 0, 0,4 0,3 0,6 0, 0, 0,3 0,2 0, 0,3 0,4 0,3 0, 0,2 0, 0, зим а весна лето осень 2003 2004 2005 2006 2007 годы Рис. 1. Соотношение значений БПК5/ПО Рис. 2. Соотношение значений (2003-2008 гг.) БПК5/ПО в течение года.
Среднее отношение БПК5/ПО (рис. 1) в первый год уменьшилось почти в 2 раза, а в период с 2004 по 2007 гг. наблюдается обратная тенденция. От метим, что в 2008 г. отношение БПК5/ПО заметно снизилось, особенно в ве сенний и осенний периоды (рис. 2). Это свидетельствует о накоплении трудно окисляемых органических веществ, что является как крайне негативным фак тором для нормального функционирования водохранилища, а также должно сказываться на качестве питьевой воды.
По поступлению общего фосфора, трофическое состояние Уводьского водохранилища в 2003-2004 и 2008 годах занимает граничное состояние меж ду мезотрофным (55 %) и эвтрофным (35 %).
Концентрации NO3-, NO2- в летний период минимальны, что возможно, связано с незначительным притоком дождевой воды, а также отсутствием до полнительного поступления подземных вод и с развитием фитопланктона.
Однако в осенний период концентрации NO3- увеличивается, что также объ ясняется вымыванием из почв почвенного органического вещества и отходов жизнедеятельности живых организмов и их последующем окислении.
С, мг/л С, мкг/л зима 0.20 зима а) б) весна 12 весна лето лето осень 0.15 осень 0. 0. 0 2007 1 2 2004 2005 2006 2007 годы годы Рис. 3. Сезонное изменение концентрации нефтепродуктов (а), фенолов (б) в районе водозабора.
С, м г /л С, м к г /л а) б) 0,0 0,0 П Д К рх 0,0 2 П Д К рх 0,0 1 2 3 4 567 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 м есяц ы м еся ц ы Рис. 4. Изменение концентрации нефтепродуктов (а), фенолов (б) в течение года.
Контроль за содержанием фенолов и нефтепродуктов в течение всего периода наблюдений показывает практически постоянное превышение нор мируемых величин (рис. 3, 4). Так максимальное содержание углеводородов нефти наблюдалось в 2003-2004 гг. и составляло в среднем 3 ПДКрх (ПДКрх = 0.05 мг/л), однако в 2005-2008 гг. произошло уменьшение их концентрации до 1.2 ПДК. Необходимо отметить то, что максимум концентрации приходит ся на весенний период (фаза весеннего водообмена, рис. 4а). Следовательно, накопление биохимически не окисляющихся органических веществ, является, прежде всего, следствием загрязнения водохранилища нефтепродуктами, что и подтверждается минимальным отношением БПК5/ПО (рис. 2). Максималь ные концентрации фенолов (рис. 4б) были также зарегистрированы в весен ний и летний периоды и составляли соответственно 7.4 и 6.9 мкг/л, что пре вышает нормируемое значение в 7.4 – 6.9 раза.
Содержание ТМ в районе водозабора в течение последнего года на блюдения, как правило, выше нормируемых величин, в частности концентра ция железа в среднем выше ПДКрх в 2.4 раза, меди – в 3 раза, марганца в 4. раза (табл. 1). Концентрация железа подвержена заметным сезонным колеба ниям. Максимальное содержание наблюдалось в летние и зимние месяцы и составляло 0.78 и 0.52 мг/дм3 соответственно. Обычно в водоемах с высокой биологической продуктивностью в период летней и зимней стагнации замет но увеличение концентрации железа в придонных слоях воды. Осенне весеннее перемешивание водных масс (гомотермия) сопровождается окисле нием Fe(II) в Fе(III) и выпадением последнего в виде Fe(OH)3. Однако анализ изменения содержания тяжелых металлов в районе водозабора в течение все го периода наблюдения (2003 - 2008 гг.) показывает положительную тенден цию, а именно снижение среднегодовой концентрации всех исследуемых ме таллов.
Оценки качества воды по комплексному показателю (индекс загрязненно сти водотока - ИЗВ) показали, что в 2003-2005 гг. его величина составляла 6.9-8.8, что соответствует 6-му классу – «вода очень загрязненная» (табл. 1).
Основной вклад в величину ИЗВ дают соединения марганца, железа и фено лы. С 2006 по 2008 г. наблюдается уменьшение величины ИЗВ, который со ставил 2.9-4.6, что соответствует четвертому и пятому классу – грязная и за грязененная.
Таблица Тенденция изменения качества воды в районе водозабора (2003-2008 гг.) Характеристика качества воды Год Ингредиенты, ответственные за формирование Класс Характеристика ИЗВ (доли ПДКр.х) ИЗВ качества качества Mn (14), Fe(8.8), фенол(8.55), Cu (8), Н/пр(3), 2003 7.2 VI Очень грязная БПК5(2.7) Mn (27), фенол(10.2), Fe(7.4), Cu (6), Н/пр(3.4), 2004 8.8 VI Очень грязная БПК5(1.3) Mn (26), Fe(5.4), фенол(5.1), Cu (3), БПК5(2.6), 2005 6.9 VI Очень грязная Н/пр(1.36) Cu (7), фенол(6.7), Mn (6), Fe(4.1), БПК5(2.35), 2006 4.4 V Грязная Н/пр(1.36) Cu (7), фенол(6.9), Mn (6), Fe(4.7), БПК5(2.9), 2007 4.6 V Грязная Н/пр(1.36) фенол(6.1), Mn (4.5), Н/пр(1.2), Cu (3), Fe(2.6), 2008 2.9 IV Загрязненная БПК5(1.1) Хлорированные углеводороды в воде Уводьского водохранилища (водозабор) Годовые и сезонные тренды концентраций ХОС в воде Уводьского во дохранилища показаны на рис. 5-8. Диапазон варьируемых значений в течение последнего года наблюдения для хлороформа (2 класс опасности (КО)) со ставляло от 5.4 до 16.4 мкг/л, при среднем значении 11.2 мкг/л, что в 2.2 раза выше ПДКрх, для хлорфенолов (2,4 дихлорфенол, 2,4,6 трихлорфенол – 1 КО) диапазон варьирования концентраций составил 0.1 – 0.4 мкг/л (1-4 ПДКрх), а для CCl4 (2 КО) максимальное значение достигало значения 1.9 мкг/л при нормируемом отсутствии содержания данного вещества в водоеме, т.е. вод ные экосистемы испытывают повышенные нагрузки по данным соединениям.
В весенний и осенний периоды отмечалось повышенное содержание хлоро форма, концентрации составляли 16.4 мкг/л (3.3 ПДКрх) и 15.6 мкг/л (3. ПДКрх) соответственно (рис. 5).
С, м кг/л С, м кг/л 2003 2004 2005 2006 2007 1 2 3 4 567 8 9 10 м есяцы годы Рис. 5. Изменение концентрации хло- Рис. 6. Изменение среднегодового роформа в течение года (2008 г). значения хлороформа (2003-2008 гг.).
С, мкг/л С, мкг/л четырёххлор. углерод четырёххлор. углерод 2,0 2,4-дихлорфенол 4 2,4-дихлорфенол 2,4,6-трихлорфенол 2,4,6-трихлорфенол тетрахлорэтилен 1,5 тетрахлорэтилен 1,0 0, 2003 2004 2005 2006 2007 зима весна лето осень годы Рис. 7. Сезонное изменение концентра- Рис. 8. Изменение среднегодового ции ХОС (2008 г.). значения ХОС (2003-2008 гг.).
Качество пресных подземных вод Вода из подземного источника в районе д. Юркино (ОНВС-2) имеет повышенное относительно ПДК содержание нитритов, железа общего, мар ганца, меди, цинка, четыреххлористого углерода и тетрахлорэтилена, в част ности концентрация железа общего в среднем выше ПДКр.х. в 6 раз, меди в раз, цинка в 3 раза, марганца в 50 раз.
Концентрация хлорорганических соединений, образующихся при хло рировании грунтовых вод, была ниже по сравнению с концентрациями, на блюдаемыми при хлорировании воды Уводьского водохранилища, что также свидетельствует о меньшем содержании органических загрязнителей в под земных источниках питьевой воды г. Иванова.
Влияние атмосферных осадков Концентрации фенолов в осадках составляет (2.3-2.6 мкг/л). Тем не ме нее, столь значительное содержание фенолов в осадках может вносить замет ный вклад в загрязнение воды, особенно в паводковый период, что и наблю дается при весенних замерах. Загрязненность атмосферных выпадений неф тепродуктами, по сравнению с содержанием их в водоеме в весенний паво док, невелика и составляет для снега 0.08 мг/л (1.6 ПДКрх). Зимние осадки со держали значительно больше металлов, чем «мокрые» выпадения. Так, с зим ними осадками выпало Cu-0.01, Zn-0.03, Ni-0.03, Mn-0.03, Fe-0.4, Cr-0. мг/л, с дождям Zn-0.014, Fe-0.04 мг/л. С учетом того, что в 2008 году в воде водозабора максимальное содержание цинка, железа общего и меди отмечено в зимний период, можно сделать вывод о том, что атмосферные осадки вно сят определенный вклад в загрязнение воды Уводьского водозабора.
Четвертая глава посвящена изучению качества питьевой воды после различных методов водоподготовки. Качество питьевой воды из централизо ванной системы водоснабжения не удовлетворяет требованиям действующих нормативных документов по следующим показателям:
1) перманганатная окисляемость превышает нормируемое значение (5 мг О2/л) в среднем 1.2 раза, что свидетельствует о наличии в воде повышенных концентраций химически трудно окисляющихся органических веществ;
2) в течение 2000-2005 гг. среднегодовое содержание фенолов составляло около 1.5 мкг/л и превышали нормируемое значение (1 мкг/л) в 1.5 раза, а на чиная с 2006 г. превышения по данному показателю не зарегистрировано;
3) в отдельные годы наблюдается превышение допустимого содержания же леза общего (2000 г., 2002-2007 гг.) и марганца (2003-2004 гг., 2007 г.).
По всем остальным контролируемым показателям превышения норма тивных значений не наблюдалось. Тем не менее, нужно отметить, что после хлорирования концентрации ХОС в питьевой воде возрастают.
Результаты исследований, проведённых в 2008 г., показали, что в целом качество питьевой воды удовлетворительное. Содержание хлороформа и че тыреххлористого углерода в питьевой воде г. Иваново варьировались в диа пазоне концентраций 106.5-161.1 мкг/л и 1.1-3.1 мкг/л, соответственно, и не превышало нормативов РФ.
Измерение концентрации гало 2 0 0 8 г.
м к г/л генсодержащих углеводородов по казало, что их суммарное содержа зим а 12 8122 весна ние, в пересчете на хлор, в 10- лето осень раза выше в питьевой воде по срав нению с содержанием в источнике водоснабжения (рис. 9).
8 13 9 12 Для питьевой воды максималь ное содержание наблюдалось в водозабор питьевая вода осенний период, а для воды в рай Рис. 9. Зависимость содержания хлори оне водозабора - в весенний и со рованных углеводородов (в пересчете на Cl-) от времени года на водозаборе и ставляло 135 мкг/л и 13 мкг/л соот ветственно.
питьевой воде.
Другим источником образования ХОС в питьевой воде является рас творенное и взвешенное органическое вещество в источнике водоснабжения.
Из данных рис. 10 следует, что на образование хлороформа в питьевой воде оказывает влияние как наличие растворенных (коэффициент корреляции (R) равен 0.72), так и суммарное содержание органических веществ (R=0.84), со держащихся в воде водохранилища. Причем на его содержание в питьевой воде оказывает влияние наличие как трудно (ПО), так и биохимически легко окисляемых (БПК5) органических соединений (рис. 11, R БПК = 0.83;
RПО = 0.78).
2008 г.
2008 г.
Ссум.орг.=76,25-0,152*Схф+0,0013*Схф БПК5, водохранилище, мгО2/л ПО, водохранилище, мгО2/л 3,0 Сорг=-12,115+0,2042*СБПК-0,0007*СБПК Органика (растворен), мг\л Органика (сумма), мг\л 80 2, 60 2, 50 70 40 1,5 30 Сраств.орг.=-240,40+3,939*Схф-0,0134*Схф 3 1,0 Сорг=10,36-0,1095*СПО+0,0006*СПО 0 100 120 140 160 110 120 130 140 150 Хлороформ пит., мкг\л Хлороформ, пит.,мкг/л Рис. 10. Корреляционная зависимость Рис. 11. Взаимосвязь содержания хло концентрации хлороформа от раство- роформа в питьевой воде от ПО (1) и ренных (1) и суммы (2) органических БПК5 (2).
соединений.
Таким образом, полученные экспериментальные данные показывают, что химический состав воды в водоисточнике имеет непосредственное влия ние на качество питьевой воды.
Качество воды после альтернативных методов водоподготовки Обра зование канцерогенных органических соединений при обеззараживании воды хлором является главной причиной поиска и внедрения альтернативных ме тодов водоподготовки. Поэтому следующим этапом работы было исследова ние возможности применения диэлектрического барьерного разряда (ДБР) и метода озонирования для подготовки воды питьевого качества для г. Ивано во.
В табл. 2 приведены сравнительные показатели качества воды из водо забора, водопровода и природной воды, обработанной в ДБР и озоном. После хлорирования содержание хлорорганических соединений в питьевой воде увеличивается в 1.2-24 раза (больше всего для хлороформа), а после озониро вания и обработки в ДБР снижается более чем в два раза. Таким образом, применение озонирования и ДБР в качестве одной из стадий водоподготовки оказывается весьма эффективным с точки зрения снижения концентрации в питьевой воде хлорорганических соединений. Полученные результаты пока зывают, что при обработке воды как в ДБР, так и озонированием наблюдается значительное снижение концентраций большинства исследуемых органиче ских соединении, однако происходило накопление альдегидов, в частности содержание формальдегида возрастало в 3.8 раза (ДБР) по сравнению с при родной водой.
Максимальная эффективность окисления нефтепродуктов под воздей ствием О3 составляет около 99 %, а при обработке в ДБР она равна 93 %. Это связано с тем, что в ДБР обрабатываемая вода стекает в реакторе в пленочном режиме, т.е. в отличие от озонирования, где реакции окисления проходят в объеме раствора, в ДБР все процессы протекают в тонком слое жидкости. Со держание фенолов в воде водозабора составляет 4.3 мкг/л, а после обработки как в ДБР, так и методом озонирования их концентрация была ниже предела обнаружения. Экспериментальные данные показывают, что при обработке в ДБР, и при озонировании значение ПО снижается, т.е. можно сделать вывод, что оба метода являются эффективными для окисления органических соеди нений, присутствующих в воде.
Таблица Качество воды после альтернативных методов водоподготовки Значение показателя в пробе Показатель качества воды в пробе воды Водозабор Водопровод Озонирование ДБР ПДКрх/ПДКпит рН 7.8 7.5 8.5 8.4 6-8.5/6- ПО, мгО2/л 5.6 4.56 2.32 1.33 15/ БПК5, мгО2/л 1.2 0.9 1.34 2.2 БПК5/ПО 0.2 0.19 0.57 1.6 Раствор. кислород мгО2/л 10.9 10.3 12.5 8.58 6(л.) 4(з.) Сухой остаток, мг/л, в т.ч. 203 218 229 218 -органические 61 71 30 26 -неорганические вещества 142 147 199 192 Азот аммонийный, мг/л 0.66 0.57 0.66 3.9 0.5/ Марганец, мг/л 0.02 0.02 0.011 0.002 0.01/0. Цинк, мг/л 0.015 0.5 0.09 0.01 0.01/ Железо, мг/л 0.15 0.11 0.04 0.004 0.1/0. Медь, мг/л 0.001 0.007 0.0025 0.003 0.001/ Фенол, мкг/л 4.3 0.5 0.5 0.5 1/ Нефтепродукты, мг/л 0.01 0.005 0.005 0.005 0.05/0. Формальдегид, мг/л 0.076 0.02 0.053 0.292 0.1/0. Хлороформ, мкг/л 5.8 145.6 3.1 0.6 5/ Четыреххлористый 2.4 2.6 1.3 1.8 отс/ Трихлорэтилен, мкг/л 0.5 0.7 0.5 0.1 10/ Тетрахлорэтилен, мкг/л 0.16 0.17 0.17 0.1 160/ 2,4-дихлорфенол, мкг/л 0.12 0.22 0.1 0.11 0.1/ 2,4,6-трихлорфенол, мкг/л 0.1 0.18 0.1 0.15 0.1/ Микробиологические показатели качества воды: В природной воде (водозабор) были обнаружены термотолерантные колиформные бактерии, сульфитредуцирующие клостридии и БГКП (коли-формы). При обработке воды как в ДБР, озонировании, так и после хлорирования (городской водо провод) наблюдается значительное снижение всех исследуемых показателей до требуемых норм.
Оценка токсичности: Методом биотестирования проводилась оценка токсичности воды, взятой из водозабора, из системы водопровода г. Иванова, а также после обработке воды в ДБР и озонировании. Полученные результа ты показывали, что после обработки в ДБР токсичность природной воды, оцененная расчетным и экспериментальным (биотестирование) методами снижается в 1.1 и 2 раза соответственно, а после озонирования – в 2.4 и раза.
Также были проведены оценки возможности применения рассмотрен ных альтернативных методов для подготовки питьевой воды г. Улан-Батор.
Данный вопрос является актуальным в связи с тем, что дебит основного ис точника водоснабжения (артезианская вода) исчерпывается, численность на селения увеличивается, поэтому в ближайшей перспективе планируется ис пользовать воду поверхностного источника – р. Тул.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение озониро вания и ДБР в качестве одной из стадий водоподготовки оказывается эффек тивным с точки зрения снижения концентрации в питьевой воде хлороргани ческих соединений. Однако следует отметить, что применение обоих спосо бов обработки воды имеет и отрицательные стороны. Так при обработке в ДБР происходит увеличение содержания в воде формальдегида и аммоний ного азота.
Глава 5. Оценка влияния питьевой воды на здоровье населения. С помо щью компьютерной программы «Чистая вода», разработанной научно– производственным объединением «ПОТОК» г. Санкт–Петербург, была выпол нена оценка соответствия питьевой воды по контролируемым показателям и произведена оценка риска нарушения функционирования органов и систем человека при употреблении воды, прошедшей водоподготовку.
Результаты расчета показывают значительное уменьшение риска не благоприятных органолептических эффектов при потреблении питьевой во ды, как немедленного действия, так и хронической интоксикации относи тельно природной воды в районах водозабора. Значимую часть в данную ве личину вносят такие показатели для водозабора: фенолы, нефтепродукты, железо и марганец;
для питьевой воды железо и марганец. С другой стороны после процесса водоподготовки (м. Авдотьино) наблюдается увеличение рис ка канцерогенных эффектов, основной вклад в который вносят ХОС. Показа но, что современное состояние потребляемой населением г. Иванова питьевой воды, приводит к ухудшения его здоровья и как следствие сокращению про должительности жизни (табл. 3).
Показано, что наибольшее сокращение продолжительности жизни опре деляется факторами, формирующими канцерогенные эффекты, величина кото рых определяется содержанием ХОС. Из полученных данных следует, что при оритетными загрязнителями природной воды (Уводьское водохранилище) яв ляются: фенолы, нефтепродукты, железо и марганец, а питьевой воды – ХОС.
Полученные величины рисков попадают в область недопустимого рис ка (10 …10-4), т.е. необходимо проведение мероприятий, независимо от мас - штабов финансовых расходов. Так как основной проблемой в системе водо подготовки является образование ХОС при хлорировании воды, а из-за боль шой протяженности трубопроводов в городе нельзя полностью исключить хлорирование из процесса водоподготовки, то сделать это возможно, заменив хлор на 1-ой ступени хлорирования другим окислителем, в качестве которого предлагается озон, а на 2-ой ступени – хлорирование.
В практике применяется экономическая оценка воздействия окружаю щей среды на здоровье, которая складывается исходя из стоимости жизни и суммы плат на восстановление здоровья. Поэтому был рассчитан ущерб (У) здоровью населения г. Иваново (406 тыс. чел.) от потребления питьевой воды, прошедшей подготовку, по статистической стоимости жизни (табл. 3) Совре менное состояние потребляемой населением г. Иванова питьевой воды, приво дит к ухудшению его здоровья и, как следствие, сокращению продолжительно сти жизни (мужчины – 7.7 лет, женщины – 10 лет). Необходимо отметить, что при обработке воды как в ДБР, так и озонированием наблюдается снижение данного показателя.
Таблица Сокращение ожидаемой продолжительности для каждой рассматриваемой группы населения после хлорирования, озонирования и ДБР LLE = L R Наименование риска № R, доли отн. ед. Мужчины Женщины Средняя продолжительность жизни, 1 59.3 72. 2 Средний возраст населения, год 36.8 43. 3 Ожидаемый остаток жизни L, год 22.5 29. Показатель, характеризующий возникновение не Риск развития неблаго- устойчивых отрицательных реакций организма на приятных органолеп- 0.001 потреблённую питьевую воду (тошнота, диарея, тических эффектов 0.001 аллергические реакции и др.). Органолептические показатели немедленного действия в большинстве (немедленного дейст- 0. вия)* случаев не приводят к сокращению продолжитель ности жизни.
LLE 0.02 / 0.02 / 0.02 0.03/0.03/0. Показатель, характеризующий возникновение ус Риск развития 0.005 тойчивых отрицательных реакций организма на неблагоприятных орга 0.003 потреблённую питьевую воду (приобрётенная 5 нолептических эффек 0.002 “глобальная” аллергия, болезни органов дыхания, тов (хроническая ин зрения, анемии органов осязания и др.) токсикация)* LLE 0.11 / 0.07 / 0.04 0.14 / 0.09 / 0. Показатель, характеризующий возникновение му 0.218 тагенных и канцерогенных эффектов в организме 0.015 человека (раковые опухоли, в т.ч. нарушение вос Риск канцерогенных производящей функции организма, изменение ДНК 0. эффектов* и др.) LLE 4.9 / 0.34 / 0.36 6.37 / 0.43 / 0. 0.119 Показатель, характеризующий развитие у челове Риск общетоксический 0.056 ка заболеваний органов дыхания, эндокринной 7 (развития хронической 0.288 системы, мочеполовых путей и др.
интоксикации)* LLE 2.67 / 1.26 / 6.5 3.47 / 1.64 / 8. Сокращение ожидаемой продолжительно 7.7 / 1.7 / 6.9 10 / 2.2 / 8. сти жизни LLЕ, год Расчет ущерба здоровью населения по статистической стоимости жизни Ущерб от СПЖ выраженный в денежном 34 691.5 / 7 659.2 / 36 749.6 /8084. эквиваленте, €/чел 31087.3 /32927. У, млрд. € 9.7 / 2.1 / 8. Примечание: * - первая цифра - хлорирование;
вторая - озонирование;
третья - ДБР.
Основные результаты и выводы:
1. Показано, что вода в Уводьском водохранилище в течение всего периода наблюдений может быть охарактеризована по величине ИЗВ как грязная и загрязненная. В воде водохранилища в повышенных концентрациях содер жатся (цифры - доли ПДКрх) БПК5 (от 1.6 до 2), нефтепродукты (от 1.2 до 3.4), фенолы (от 5.1 до 10.2), железо (от 2.6 до 8.8), марганец (от 4.5 до 14), медь (от 3 до 8), цинк (от 1 до 4.5).
2. Определены приоритетные поллютанты из числа исследованных в природ ной воде (фенолы, нефтепродукты, железо и марганец).
3. Показано, что в воде из централизованного водоснабжения в повышенных концентрациях содержаться фенолы, тетрахлорметан, железо и марганец.
4. Установлено, что на образование хлороформа в питьевой воде при хлори ровании природной воды оказывает влияние как наличие растворенных так находящихся в составе взвешенного вещества органических соединений.
5. Показано, что после хлорирования содержание хлорорганических соедине ний в питьевой воде возрастает в 1.2 - 24 раза, а после озонирования и об работки в ДБР природной воды их содержание уменьшается в не менее, чем в 2 раза, но при этом возрастает содержание в воде альдегидов и азота аммонийного. Следовательно, озонирование, как и ДБР можно применять в качестве одной из ступеней в процессах водоподготовки.
6. Результаты оценки токсичности объектов исследования, полученные рас четным и экспериментальным (биотестирование) методами, показали, что после обработки в ДБР токсичность природной воды снижается в 1.1 и раза соответственно, а после озонирования – в 2.4 и 2 раза.
7. Установлено, что величина риска здоровья населения от употребления во ды, основной вклад в который вносят ХОС, попадает в область недопус тимого риска (10-2…10-4).
Основное содержание диссертации изложено в следующих работах 1. Гриневич, В.И. Очистка природных вод озонированием и в диэлек трическом поверхностно-барьерном разряде / В.И. Гриневич, Т.В. Извекова, Н.А. Пластинина, Х. Шурэнцэцэг. // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2009. – Т.52. – Вып.9. – С. 110-112.
2. Тувшинжаргал, Г. Биологическая модель исследования токсического и мутагенного эффекта загрязнения воды реки Туул / Г. Тувшинжаргал, Х. Шу рэнцэцэг, Н. Сайжаа. // Журнал “Медицина”. 2003. – № 1. – С. 17-21.
3. Шурэнцэцэг, Х. Гигиеническая оценка содержания ртути в окружаю щей среде и здоровье населения / Х. Шурэнцэцэг, Н. Сайжаа, Ж. Купул и.др.
// Бюллетень Восточно-Сибирского-Научного Центра Сибирского Отделения РАМН. 2005. - № 8. – Вып. 46. – С. 85-86.
4. Купул, Ж. Медико-гигиеническая оценка содержания свинца в окру жающей среде / Ж. Купул, Л.Нарантуяа, Ж.Халзанхуу, Х.Шурэнцэцэг и.др. // Бюллетень Восточно-Сибирского-Научного Центра Сибирского Отделения РАМН. 2005. - № 8. – Вып. 46. – С. 27-29.
5. Шурэнцэцэг, Х. Оценка качества и безопасности питьевой воды / Х.
Шурэнцэцэг, И. Болормаа, Ш. Энхцэцэг. // Сборник докладов научной конфе ренции “Санитарно-гигиеническая служба-70”, Монголия, Улан-Батор, 2004.
– С. 50-51.
6. Сайжаа, Н. Химические, физические, биологические факторы риска, влияющие на здоровье населения крупных городов Монголии, их гигиениче ская оценка / Н. Сайжаа, Ж. Купул, Л. Нарантуяа, Х. Шурэнцэцэг и др. // Сборник докладов научной конференции “Санитарно-гигиеническая служба 70”, Монголия, Улан-Батор, 2004. – С. 40-42.
7. Shurentsetseg, Kh. Usage and hygienic assessment of chlorine compounds / Kh. Shurentsetseg, J. Kupul. // Scientific conference “Heritage and innovation of medical sciences in Mongolia”, Mongolia, Ulan Bator, 2006. – PP. 38-40.
8. Извекова, Т.В. Эффективность фильтров-водоочистителей накопи тельного типа для удаления остаточных критериальных загрязнителей питье вой воды в г. Иваново / Т.В. Извекова, В.И. Гриневич, Х. Шурэнцэцэг. // Ма териалы 8-го Международного конгресса “Вода: экология и технология” ЭК ВАТЭК-2008 [электронный ресурс], М.: ЗАО “Фирма СИБИКО Интер нэшнл”, 2008, “Водоснабжение”.
9. Извекова, Т.В. Удаления загрязнителей питьевой воды в г. Иваново при помощи фильтров накопительного типа / Т.В. Извекова, Ю.В. Фролова, Х. Шурэнцэцэг. // Материалы VII Региональной студенческой научной кон ференции с международным участием “Фундаментальные науки - специали сту нового века”, Иваново, 2008. – С. 205.
10. Шурэнцэцэг, Х. Плазмохимический способ подготовки воды питьево го качества / Х. Шурэнцэцэг, В.И.Гриневич, А.А. Гущин, Т.В. Извекова, И.В.
Можжухин. // Материалы 89-й ежегодной научно-практической конференции студентов и молодых ученых ИвГМА «Неделя науки-2009», Иваново, 2009. – С. 213.
11. Дробышева, А.С. Исследование токсичности модельных растворов методом биотестирования / А.С. Дробышева, А.А. Потехина, Х. Шурэнцэцэг, В.И. Гриневич, Т.В. Извекова, А.А. Гущин. // Материалы 89-й ежегодной на учно-практической конференции студентов и молодых ученых ИвГМА «Не деля науки-2009», Иваново, 2009. – С. 209.
12. Шурэнцэцэг, Х. Подготовка воды питьевого качества методом озони рование / Х. Шурэнцэцэг, В.И. Гриневич, Т.В. Извекова, А.А. Гущин, В.А.
Калагина. // Материалы 89-й ежегодной научно-практической конференции студентов и молодых ученых ИвГМА «Неделя науки-2009», Иваново, 2009. – С. 216.
13. Шурэнцэцэг, Х. Кинетика очистки воды из водозабора г. Иваново окислительными методами / Х. Шурэнцэцэг, В.И. Гриневич. // Материалы VII Региональной студенческой научной конференции с международным участи ем “Фундаментальные науки - специалисту нового века”, Иваново, 2009. - Т.
1. – С. 79.
14. Шурэнцэцэг, Х. Озонирование – как метод подготовки воды питьевого качества / Х. Шурэнцэцэг, А.А. Гущин, Н.А. Кувыкин, В.А. Калагина. // Ма териалы VII Региональной студенческой научной конференции с междуна родным участием “Фундаментальные науки - специалисту нового века”, Ива ново, 2009. - Т. 1. – С. 66.
Автор выражает глубокую признательность всему коллективу кафедры “Промышленная экология” за помощь в обсуждении материалов диссертации.