CC BY
118
позволют сделать оценку годового стока для различных сценариев возможного изменения климата в бассейне реки Волги. В частности, для периода 2010-2039 годов установлено, что увеличение нормы осадков и стока на 37 и 9 мм/год соответственно приведет к увеличению осадков в маловодном году на 27 мм/год, из-за чего испарение увеличится на 19, а сток - на 8 мм/год
при дополнительной сработке бассейновых влагозапасов 12 мм/год.
Материал поступил в редакцию 30.04.09. Исмайылов Габил Худуш оглы, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидрология, метеорология и регулирование стока»
Тел. 8 (495) 976-23-68 E-mail: [email protected]
Федоров Владимир Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
Тел. 8 (499) 135-04-06
УДК 502/504 : 556.31
Е. С. КУЛАКОВА, Т. И. ДРОВОВОЗОВА
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»
АНАЛИЗ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ, ОБРАБОТАННОЙ ПЕРОКСИДОМ ВОДОРОДА
Рассмотрена возможность применения в технологии подготовки питьевой воды пероксида водорода. Предложено уравнение, позволяющее рассчитать необходимую дозу Н202. Установлено повышение бактерицидного действия при комбинированном сочетании Н202 с ионами Ag+ и Cu+.
Загрязнители природных вод, обезвреживание и обеззараживание воды, сильный окислитель, экологическая безопасность воды, доза реагента, ионы-бактерициды.
There is considered a possibility of hydrogen peroxide usage in the technology of the drinking water preparation. The equation is proposed which allows estimating the necessary doze of H202. The increase of the bactericidal action is determined under the combined combination of H„0„ with Ag+ . Cu+ ions.
' 2 2 ° and
Pollutants of the natural water, neutralization and disinfection of water, strong oxidant, ecological safety of water, dose of reagent, bactericidal ions.
Вода для питья и для приготовле- очистки воды от последних. Многие заг-
ния пищевых напитков должна быть рязнители, особенно органического про-
безопасной. Природные воды (поверх- исхождения, могут попадать в водные
ностные и подземные) нередко содер- объекты в результате залповых несанк-
жат загрязнители, которые должны ционированных сбросов, приводящих в
быть удалены полностью либо подверг- некоторых случаях к возникновению
нуты химической деструкции. чрезвычайных ситуаций. Согласно [1],
При выборе источника водоснаб- содержание компонентов макросолево-
жения проводят физико-химический го состава в подземных водах достига-
анализ вод, позволяющий получить ка- ет следующих величин: сульфатов -
чественный и количественный состав 620 мг/л, хлоридов - 230 мг/л; щелоч-
различных химических веществ, содер- ность может доходить до 11...12 ммоль/л.
жащихся в ней, и выбрать технологию Из группы металлов основными
лимитирующими компонентами, наиболее часто встречающимися в подземных водах, являются железо и марганец, их концентрации могут достигать соответственно 32 и 5 мг/л. Всвязи с этим при использовании подземных вод как источника водоснабжения необходимо проведение деманганации и деферизации воды.
Загрязнения подземных вод компонентами антропогенного происхождения представлены в основном тяжелыми металлами, биогенными компонентами и органическими веществами. Из группы биогенных компонентов присутствуют нитраты - до 200 мг/л: концентрация аммонийного азота достигает 13 мг/л, нитритов -3,1 мг/л; из загрязнений органического происхождения в подземных водах находятся общие органические соединения (нефтепродукты, фенолы, СПАВ), специфические компоненты (толуол, формальдегид, тригалогенмета-ны), пестициды (хлорорганические и фосфорорганические) [1].
Для водоисточников, характеризующихся постоянной антропогенной и техногенной нагрузкой, рекомендуется дополнять технологические схемы очистки блоком дозирования пероксида водорода.
Пероксид водорода относится к так называемым «экологически чистым» окислителям и не вызывает вторичного загрязнения воды продуктами разложения. Пероксид водорода проявляет свойства как окислителя, так и восстановителя и обладает рядом техно логических преимуществ. Пероксид водорода используется в основном для очистки сточных вод (промышленных, бытовых, шахтных и т.п.) [2]. В последние годы Н202 рассматривается как альтернативный реагент для обработки вод, содержащих остаточный «активный» хлор, который, как известно, опасен для всех форм жизни.
Ввиду своих уникальных свойств представляется целесообразным провести анализ экологической безопасности воды поверхностных и подземных источников при обработке их перокси-
дом водорода. Известно, что пероксид водорода используется при окислении сероводорода, а также сульфидов, сульфитов и тиосульфатов, соединений азота и хлора, цианистых соединений. Кроме того, он эффективен при обезвреживании органических соединений, в частности фенолов, формальдегида, гидрохинона. 0тдельную область применения Н202 составляет очистка воды от растворенных соединений металлов (в том числе тяжелых). Химические процессы, протекающие при взаимодействии вышеуказанных загрязнителей с Н202, описываются уравнениями реакций, представленными в таблице.
Анализируя качество подземных вод, нужно отметить наличие в ней следующих соединений: сероводорода - до 2 мг/л, нитритов - до 3 мг/л, фенолов -до 100 мкг/л, формальдегидов - до 0,2 мг/л, цианидов - от 0,1 до 0,2 мг/л. Из металлов наибольшим содержанием отличается железо - до 32 мг/л.
0пределим концентрацию Н202, необходимую для окисления указанных доз загрязнителей (в расчете на максимальное содержание).
Согласно уравнению реакций, на окисление 1 моль N0^ затрачивается
1 моль Н202, или 0,52 мг/л (1 ммоль Н202 соответствует 34 мг/л Н202);
2 моль Ке2+ реагирует с 1 моль Н202, что соответствует 9,75 мг/л Н202; с
1 моль формальдегида реагирует
2 моль Н202, или 0,45 мг/л; на окисление фенолов дозой до 100 мкг/л необходимо 0,56 мг/л Н202; на окисление цианидов с последующим гидролизом цианатов потребуется 0,26 мг/л Н202. Следовательно, суммарное количество Н202, необходимое для одновременного окисления компонентов-загрязнителей, присутствующих в подземных водах, составляет 11,54 мг/л.
Большим достоинством применения Н202 в процессах очистки природных вод, по мнению авторов, является следующее: в результате химических процессов образуются вещества менее опасные, чем их исходные реагенты.
№ 2' 2010
Применение пероксида водорода для обезвреживания и очистки
сточных вод [3]
Соединение Уравнение реакции Удельная доза Н202, г/л рН среды
Серосодержание
Сероводород Н28 + Н202 —► 2Н20 + Б0 1 6...8
Гидросульфиды Ш + Н202 + Н° ^ 2Н20 + Б0 1,03 8
Сульфиды 82~+ 4Н202 —► 2Н20 + 8° 4,25 >8
Сульфиты 8032"+ Н202^804+Н20 0,43 >8
Диалкилсульфиды (ЯБЯ) Б^Я + Н202 Б^О + Н20 >5 2...4
Тиосульфаты 82032 + 4Н202 + 20Н ^ 28042" + 5Н20 1,21 >8
Диоксид серы 802 + Н202 Н2 804 0,53 <6
Азот- и хлорсодержащие
Цианиды простые + н2о2 СШ" + Н20 1,31 8,5...10
Нитриты Ш2 + Н202 N03 + Н20 0,74 2...5
Оксиды азота N0 + N02" + 2Н202 2НШ3 + Н20 0,89 >10
2Ж)2+Н202^2НЖ)з 0,37 >10
Хлор С12 + Н202 —> 02 + 2НС1 0,48 7...9
Гипохлориты ОС12 + Н202 о2 + сг + Н20 0,66 1...9
Содержащие тяжелые металлы
Перманганаты 2Мп04" + 5Н202 + 6Н ^ 2Мп2+ + 502 + 8 Н20 0,71 <3,5
Хроматы 2Сг042" + ЗН202 + 10Н+ 2Сг3+ + 302 + 8 Н20 0,44 <3,5
Соли железа 2Бе2+ + Н202 + 2Н+ 2Ре3+ + 2Н20 0,3 <3,5
Соли серебра 2+ Н202 2+ 02 + 2Н+ 0,16 <3,5
Органосодержащие
Формальдегид СН20 + 2Н202 ЗН20 + С02 2,27 >9
Гидрохинон С6Н602+ 13Н202^ 16Н20 + 6С02 4,02 4...6
Фенол 5,06 3...4
Например, при окислении сульфидов, относящихся к 3 классу опасности, содержание которых вообще не предусмотрено в водоемах, пероксидом водорода образуются сульфаты, относящиеся к 4 классу опасности; при окислении N0^, относящихся ко 2 классу опасности, образуются нитраты (3 класс опасности); при окислении цианидов, формальдегида, относящихся ко 2 классу опасности, образуются вещества 3 класса опасности [5].
Таким образом, применение Н202 не приводит к образованию токсичных продуктов своего разложения, но способствует удалению из воды вредных в санитарно-гигиеническом и санитарно-токсикологическом отношениях химических веществ. Следовательно, в технологии водоподготовки в условиях сельской местности, тем более при последующем использовании такой воды в технологии пищевых продуктов, перок-сид водорода является одним из наиболее экологически приемлемых реагентов. Кроме того, дополнительным
аргументом в пользу выбранного соединения является проявление им бактерицидных свойств (пусть и в отсутствие бактерицидного последействия). Это позволит подбирать дозы препарата в зависимости от исходного химического состава природных вод, а также от их микробиального загрязнения.
Зная удельную дозу Н202, затрачиваемую на окисление компонента-загрязнителя (см. таблицу), и концентрацию пероксида водорода, проявляющую заметно выраженный бактерицидный эффект, можно определять расчетную дозу Н202, необходимую для первичной обработки природной воды. Для этого рекомендуется использовать следующее уравнение: Дн2о2 = 4,25С82 + 0,43СзоГ + 1,31Ссм- + + 0,ЗСГез+ + 0,74Смо; + 2,2 7Ссн2о + + 5,06Ссбнбон + 100,
где ДН202 - расчетная доза Н202, мг/л; Свва -концентрация загрязнителя, определенная экспериментально (по результатам физико-химического анализа природных вод), мг/л.
Данное уравнение позволит рассчитать дозу Н202, которую необходимо ввести через дозирующее устройство в
обрабатываемую воду, в зависимости от химического состава природной воды.
Обработка воды пероксидом водорода и ионами-бактерицидами.
При обеззараживании питьевой воды пероксидом водорода в ней не образуется токсичных продуктов, что является немаловажным обстоятельством при использовании воды в технологии изготовления пищевых продуктов. Единственным недостатком такого способа обеззараживания является внесение высоких концентраций дезинфектанта. Так, ПДК пероксида водорода, согласно СанПиН 2.1.4.1074-01, - 0,1 мг/л [4], а концентрация Н2О2, обеспечивающая надлежащий уровень обеззараживания, по данным [5], составляет 3...5 % .
Для устранения этого недостатка рядом ученых предложено вносить активаторы разложения Н2О2, к которым следует отнести металлы переменной валентности Ке+2, Мп+4, Си+2, Со+2, Сг+3, Zn+2, А£+, которые сами обладают в различной степени бактерицидным действием.
В работе [5] дан анализ каталитического действия ряда металлов на обеззараживающую активность окислителя Н2О2. Наибольший интерес представляют исследования антимикробного действия пероксида водорода в присутствии таких ионов, как А£+, Си+2, поскольку последние сами обладают заметно выраженным бактерицидным эффектом. Установлено, что медь в предельно допустимой концентрации вызывала гибель 99 %о бактериальных клеток за 30 мин; под действием 0,1 мг/л (1/10 ПДК) за 60 мин погибал 31 %, а для достижения 99 % гибели требовалось более 3,5 ч. Серебро при внесении его в концентрации равной ПДК, вызывало гибель всех микроорганизмов менее чем за 10 мин. Это позволяло снижать конценрации ионов серебра в 10 и более раз по сравнению с ПДК. Концентрация пероксида водорода во всех случаях составляла 100 мг/л (1000 ПДК). В присутствии перечисленных металлов наблюдался синергидный эффект (рисунок).
Антимикробное действие пероксида водорода (100 мг/л): 1 - пероксид водорода (чистый); 2 - ионы меди; 3 - совместное действие ионов металлов Ag+, Си2+
ния Н2О2
Определение границ примене-в питьевой воде. В практике водоподготовки питьевая вода, прошедшая все стадии очистки, содержит остаточное количество свободного хлора. По данным СанПиН 2.1.4.1074-01, концентрация С12(своб) не должна превышать 0,3.0,5 мг/л.
Если в водопроводную воду внести раствор Н2О2, то в ней будет протекать следующая реакция: Н2О2 + С12 ^ 2Н+ + 2С1- + 02. (1)
При восстановлении свободного хлора в воде нужно ожидать увеличения концентрации хлорид-ионов, т.е. «нежелательного» иона, связывающего ионы серебра в малорастворимую соль.
С целью выяснения вопроса, насколько увеличивается концентрация хлорид-ионов при обработке воды раствором пероксида водорода, рассчитаем их концентрацию, исходя из нормативов по вредным химическим веществам С12(своб):
1. Сс12(гаюб) = 0,3 мг/л -
количество эквивалентов свободного хлора дэ в воде составит 8,4-10-6 моль;
2. Сс12(евоб) =0,5 мг/л -
количество эквивалентов свободного хлора пэ в воде составит 1,4*10-5 моль.
По закону эквивалентов все вещества в химических реакциях взаимодействуют в эквивалентных количествах. Тогда количество эквивалентов
№ 2' 2010
и
Н2О2 в первом случае, равное 8,4-10-6 моль, соответствует массе т = 8,4-10-6 моль-17 г/моль = 0,143 мг, во втором случае -массе 0,238 мг.
Ранее установлено, что приготовленный раствор пероксида водорода содержит 0,9418 г Н2О2/л. Становится очевидным, что доля прореагировавшего пероксида водорода составляет 0,015.0,025 %, поэтому сколько-нибудь заметного уменьшения концентрации дезинфектанта не будет.
Согласно уравнению реакции (1), количество эквивалентов С12 и хлорид-ионов равно, т.е. при Сетевое) = 0,3 мг/л /г (С1) = 8,410 6моль, а при Соевое) =0,5 мг/л -1,4-10-5 моль, что соответствует массе хлорид-ионов в первом случае 0,298 мг, во втором - 0,497 мг.
Учитывая, что предельно допустимая концентрация С1- в питьевой воде составляет 350 мг/л, незначительное увеличение конценрации хлорид-ионов практически не скажется на содержании ионов серебра, вносимых в воду с целью придания ей бактериальной устойчивости.
1. Журба М. Г., Соколов Л. И.,
Говорова Ж. М. Водоснабжение.
Проектирование систем и сооружений: уч. пособие для вузов: в 3-х т. - 2-е изд., доп. и перераб. - М. : Ассоциация строит. вузов, 2003. - 287 с.
2. Селюков А. В., Бурсова С. Н., Тринко А. И. Применение экологически чистых окислителей для очистки сточных вод : обзор. информ. - М.: ВНИИ НТПИ, 1990. - С. 12-13.
3. Селюков А. В., Скурлатов Ю. И., Козлов Ю. П. Применение пероксида водорода в технологии очистки сточных вод // Водоснабжение и сантехника. - 1999. -№ 12. - С. 25-27.
4. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения. Контроль качества: СанПин 2.1.4.1074-01. -М.: Изд-во стандартов, 2002. - 103 с.
5. Изучение антимикробного действия пероксида водорода в присутствии различных металлов / Потапченко Н. Г. [и др.] // Химия и технология воды. - 1994. -Т. 16. - № 2. - С. 203-209.
Материал поступил в редакцию 16.10.09. Кулакова Екатерина Сергеевна, аспирантка Тел. 8-918-892-63-83 E-mail: [email protected]
Дрововозова Татьяна Ильинична, кандидат технических наук, доцент
Тел. 8-863-523-22-13
